XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN CHẾ BIẾN THỨC ĂN CHĂN NUÔI ỨNG DỤNG PLC S7 – 200 VÀ CITECT SCADA

Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Hiện nay trong các ngành công nghiệp hiện đại, việc sử dụng máy tính là đòi hỏi tất yếu, giúp cho việc sản xuất hoặc kiểm tra sản phẩm được dễ dàng, hạn c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN CHẾ BIẾN THỨC ĂN CHĂN NUÔI ỨNG DỤNG PLC S7 – 200

VÀ CITECT SCADA

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN THỊ HƯƠNG

Niên khóa: 2006-2010

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN CHẾ BIẾN THỨC ĂN CHĂN NUÔI ỨNG DỤNG PLC S7 – 200 VÀ CITECT SCADA

LỜI CẢM TẠ

Lời đầu tiên con xin cảm ơn cha mẹ, người đã sinh ra con, nuôi con khôn lớn, chăm lo cho con để con có điều kiện được học hành Con không biết phải dùng lời như thế nào để nói hết lòng biết ơn sâu sắc đối với mẹ Mẹ là động lực để con luôn vươn lên và vững vàng trong cuộc sống Con luôn biết rằng cho dù bây giờ con đã lớn nhưng mẹ vẫn luôn dõi theo bước con, nâng đỡ con mỗi khi con vấp ngã Một lần nữa cho con được nói hai chữ “cảm ơn cha mẹ”

Em xin cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Nông Lâm TPHCM, các thầy

cô Khoa Cơ khí-Công nghệ đã hết lòng dạy dỗ, nâng đỡ và cung cấp cho em nhiều kiến thức trong thời gian qua

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS Nguyễn Văn Hùng, KS Nguyễn Trung Trực người đã hướng dẫn, cung cấp tài liệu và chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện để em thực hiện tốt đề tài này

Và cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè đã quan tâm giúp đỡ và góp

ý

Xin chân thành cảm ơn

Sinh viên Nguyễn Thị Hương

TÓM TẮT

Ngày nay, việc ứng dụng các phần mềm và những thiết bị tự động hóa là hết sức quan trọng, nhất là trong lĩnh vực nông nghiệp Với khuôn khổ đề tài “Xây dựng chương trình điều khiển dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi ứng dụng PLC S7 –

200 và Citect SCADA “ được tiến hành để thực hiện nhiệm vụ mô phỏng, giám sát, điều khiển dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi

Sau mười tuần nghiên cứu và thực hiện tại Bộ môn Cơ – Điện tử đề tài đã đạt được những mục tiêu sau:

- Lập trình được cho PLC S7 – 200 theo yêu cầu đề tài

- Mô phỏng, giám sát được hoạt động của dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi nhất là phần định lượng

MỤC LỤC

trang

Trang tựa i

Lời cảm tạ ii

Tóm tắt iii

Mục lục iv

Danh sách chữ viết tắt vii

Danh sách các hình viii

Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích đề tài 1

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Giới thiệu dây chuyền chế biến thức ăn chăn nuôi 3

2.1.1 Quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi 3

2.1.2 Yêu cầu cơ bản đối với máy và thiết bị chế biến thức ăn chăn nuôi 4

2.1.3 Một số sơ đồ dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi 5

2.1.3.1 Dây chuyền sản xuất thức ăn dạng viên năng suất 6 – 7 tấn /giờ của công ty Bukler – Thụy Sĩ 5

2.1.3.2 Dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi dạng viên năng suất 10 tấn / giờ của công ty Peja – VANASEN (Hà Lan) 5

2.1.3.3 Dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi dạng viên năng xuất 10 tấn / giờ của xí nghiệp SCALA (An Phú – Q9) 6

2.2 PLC S7-200 6

2.2.1 Cấu trúc chung của một hệ thống PLC 8

2.2.2 Cấu trúc phần cứng PLC 9

2.2.2.1 Bộ xử lý trung tâm 10

2.2.2.2 Bộ nhớ 11

2.2.2.3 Khối vào ra (Input/ Output) 11

2.2.3 Cấu trúc của PLC 12

2.2.3.1 Các tính năng của PLC S7-200 12

2.2.4 Phương pháp lập trình 13

2.2.4.1 Ngôn ngữ lập trình 13

2.3 HMI/SCADA 14

2.3.1 Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu HMI/SCADA 14

2.3.1.1 Phân loại hệ thống SCADA 15

2.3.1.2 Những chuẩn đánh giá một hệ SCADA 15

2.3.1.3 Cấu trúc chung của hệ SCADA 16

2.4 Citect SCADA 17

2.4.1 Các thành phần trong một dự án 17

2.4.1.1 Môi trường làm việc của dự án 17

2.4.1.2 Quản lý dự án 18

2.4.1.3 Cài đặt giao tiếp 18

2.4.1.4 Trang đồ họa 20

2.5 STEP 7 MicroWin 20

2.6 PC Access 21

2.7 Simple Factory 21

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN 3.1 Nội dung 23

3.2 Phương pháp 23

3.2.1 Phương pháp thực hiện phần giao diện 23

3.2.2 Phương pháp thực hiện phần lập trình 23

3.3 Phương tiện 24

Chương 4 THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 4.1 Khảo sát dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi 25

4.2 Thiết kế chương trình mô phỏng 28

4.3 Thiết kế chương trình điều khiển giám sát hệ thống 28

4.3.1 Phân tích và đề xuất yêu cầu và phương án thiết kế điều khiển tự động 28

4.3.2 Thiết kế chương trình điều khiển tự động cho hệ thống băng PLC 29

4.3.2.1 Sơ đồ khối bộ phận điều khiển 29

4.3.2 Giải thuật điều khiển 29

4.2.3 Chương trình điều khiển bằng PLC 31

4.4 Kết quả xây dựng chương trình giám sát 33

4.4.1 Phân tích giao diện 33

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết luận 38

5.2 Đề nghị 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

PHỤ LỤC 41

6.1 Thực hiện soạn thảo chương trình điều khiển trên PLC 41

6.2 Thực hiện trên PC Access 45

6.3 Thực hiện trên Citect SCADA 46

6.3.1 Tạo dự án 47

6.3.2 Thiết lập giao tiếp 47

6.3.3 Tạo các tags (thẻ) 48

6.3.4 Giao diện (Graphics) 50

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

EEPROM : Electronic Erasable Programmable Read Only Memory

SCADA : Supervisory Control And Data Acquisition

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1 Quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi 3

Hình 2.2 Cấu hình cơ bản của PLC 8

Hình 2.3 Sơ đồ khối một hệ thống điều khiển bằng PLC 9

Hình 2.4 Cấu trúc phần cứng PLC 10

Hình 2.5 Một PLC trong thực tế 10

Hình 2.6 Chu kì quét của PLC S7 – 200 CPU 13

Hình 2.7 Mô hình một hệ SCADA 14

Hình 2.8 Màn hình soạn thảo Cicode 18

Hình 2.9 Mô hình thiết lập truyền thông 19

Hình 2.10 Màn hình thiết lập giao tiếp 19

Hình 2.11 Màn hình khai báo biến trong variable tags 20

Hình 2.12 Màn hình biểu diến công cụ của simple Factory 21

Hình 4.1 Dây chuyền sản xuất thức ăn dạng viên năng suất 6 – 7 tấn /giờ của công ty Bukler – Thụy Sĩ 25

Hình 4.2 Sơ đồ chung của hệ thống 26

Hình 4.3 Sơ đồ hoạt động của dây chuyền 26

Hình 4.4 Giao diện được thiết kế trong đề tài 28

Hình 4.5 Sơ đồ khối bộ phận điều khiển tự động 29

Hình 4.6 Giải thuật điều khiển trong quá trình cung cấp nguyên liệu 30

Hình 4.7 Phương pháp thiết kế chương trình điều khiển 31

Hình 4.8 Sơ đồ trạng thái các van và băng tải 33

Hình 4.9 Giao diện thể hiện khi m < x 34

Hình 4.10 Giao diện thể hiện khi x<m <x +y 35

Hình 4.11 Giao diện thể hiện khi x+y<m<x+y+z 36

Hình 4.12 Giao diện thể hiện khi m >x+y+z 36

Hình 6.1 Chương trình điều khiển PLC được xây dựng 44

Hình 6.2 Màn hình đặt tên cho dự án trong PC Access 45

Hình 6.3 Màn hình khai báo Item trong PC Access 45

Hình 6.4 Màn hình thể hiện liên kết PLC và PC Access 46

Hình 6.5 Màn hình khai báo Cluster 4

6 Hình 6.6 Màn hình khai báo I/O Server 48

Hình 6.7 Màn hình khai báo thẻ tags 49

Hình 6.8 Công cụ tạo giao diện trong Graphics 50

Hình 6.9 Màn hình khai báo Appearance cho Q0.0 51

Hình 6.10 Màn hình khai báo Input cho Q0.0 51

Hình 6.11 Màn hình khai báo cho van 1 ẩn 52

Hình 6.12 Màn hình Appearance cho biến x 52

Hình 6.13 Màn hình thể hiện trang Start 53

Hình 6.14 Màn hình thể hiện trang Menu 54

Hình 6.15 Màn hình thể hiện trang report 54

Hình 6.16 Một dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi trong thực tế 55

Hình 6.17 Sơ đồ công nghệ chế biến thức ăn chăn nuôi hoàn chỉnh 56

Chương 1

MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay trong các ngành công nghiệp hiện đại, việc sử dụng máy tính là đòi hỏi tất yếu, giúp cho việc sản xuất hoặc kiểm tra sản phẩm được dễ dàng, hạn chế sai

số, thất thoát…Người ta không cần phải xuống tận các phân xưởng để theo dõi hay điều chỉnh bằng tay mà ta hoàn toàn có thể điều khiển, thu thập và quản lý dữ liệu tại phòng điều khiển trung tâm cho các hệ thống tự động Hệ thống này gọi chung là hệ SCADA

Trong tình hình đất nước ta hiện nay, gia nhập WTO đã thúc đẩy nền kinh tế không ngừng phát triển, tạo cơ hội cho các doanh nghiệp giao lưu buôn bán với các nước trong khu vực và trên thế giới Hiện nay, việc ứng dụng khoa học công nghệ vào lĩnh vực nông nghiệp cải tiến, tự động hóa các máy móc thiết bị, nâng cao chất lượng

và hạ giá thành sản phẩm được các doanh nghiệp quan tâm triệt để nhằm nâng cao sức cạnh tranh, mở rộng thị trường là hết sức cần thiết Vì vậy, tự động hóa trong dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi là rất quan trọng

Với mong muốn ứng dụng phần mềm mới vào trong hệ thống và việc điều khiển và giám sát dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi

và ứng dụng kiến thức đã học vào thực tế Đi theo một nhánh nhỏ của hệ SCADA

Nội dung thực hiện:

- Điều khiển tự động cung cấp nguyên liệu

- Điều khiển tự động cân định lượng

- Giám sát hệ thống thông qua phần mềm Citect SCADA

Chương 2

TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu dây chuyền chế biến thức ăn chăn nuôi

2.1.1 Quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi

Hình 2.1 Quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi Nguyên lý hoạt động:

Các nguyên liệu khô dạng hạt (bắp, đậu nành, tấm …) các nguyên liệu khô dạng cục, lát (như bánh dầu, lát củ khô); cá khô, chứa trong kho hoặc các silo chưa được định lượng đưa vào máy nghiền hoặc các máy vận chuyển (gàu tải, vít tải, cào tải) Từ máy nghiền hỗn hợp các dạng bột được đưa vào máy trộn Nguyên liệu dạng bột (cám gạo, cám mì, bột mì,…) Premix được định lượng và đưa thẳng vào máy trộn Hỗn hợp thức ăn chăn nuôi hoàn chỉnh được đưa vào máy ép viên Thường các máy ép viên được cung cấp hơi nước vào để hòa trộn với thức ăn tạo thành dạng ẩm và đươc đưa vào ép thành viên Viên thức ăn sau khi ra khỏi máy nhiệt độ khoảng 65 ÷ 850C,

độ ẩm 28 ÷ 30% được làm nguội Qua máy làm nguội viên đã khô cứng lại chuyển qua sàng phân loại Các viên đạt yêu cầu được đưa xuống silo chứa, định lượng, đóng bao Các viên vỡ hoặc dính được chuyển về máy ép viên, ép lại

2.1.2 Yêu cầu cơ bản đối với máy và thiết bị chế biến thức ăn chăn nuôi

™ Máy nghiền

- Ít tạo ra bụi bột (bụi bột cho vật ăn sống sẽ kém đồng hóa dịch vị, gây lãng phí, mất vệ sinh cho người phục vụ…)

- Không làm bột quá nóng (nhiệt độ bột sau khi nghiền không quá 400C)

- Nghiền được nhiều loại thức ăn

- Điều chỉnh được độ to nhỏ phù hợp với từng vật nuôi

- Ít làm ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng nghiền

™ Máy trộn

- Đảm bảo chất lượng trộn cao (độ trộn đều), nhất là khi trong hỗn hợp có những thành phần với tỉ lệ ít

- Có thể trộn những dạng hỗn hợp khô, ẩm

- Có năng suất cao và tiêu thụ mức năng lượng thấp

- Sử dụng, chăm sóc thuận tiện

™ Máy định lượng

- Đảm bảo độ chính xác với độ lệch mức thấp nhất theo quy định, nếu quá mức quy định sẽ tác động xấu đến vật nuôi

- Điều chỉnh mức được thuận tiện

- Làm việc ổn định, đơn giản, dễ sử dụng, chăm sóc thuận tiện

™ Máy ép viên

- Đảm bảo kích thước viên theo yêu cầu vật nuôi

- Đảm bảo độ bền của viên, không bị vỡ vụn khi va chạm hay rung động

- Độ cứng của viên và yêu cầu tan rã của viên thức ăn trong nước phải đạt yêu cầu

- Ẩm độ của viên khi đưa vào đóng bao phải dưới 14%

- Độ đồng đều của viên cao

- Năng suất máy cao, chi phí năng lượng riêng thấp

- Máy và dây chuyền ép viên có khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao

Tất cả các loại máy sử dụng trong hệ thống đều phải đạt được các yêu cầu về an toàn lao động, dễ sử dụng, chăm sóc, sửa chữa dễ dàng

2.1.3 Một số sơ đồ dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi

2.1.3.1 Dây chuyền sản xuất thức ăn dạng viên năng suất 6 – 7 tấn /giờ của công

ty Bukler – Thụy Sĩ

Trong hệ thống lắp đặt một số máy chính sau:

Sàng phân loại hạt và viên DFTA – 12 có diện tích mặt sàng 2,4m2 làm việc theo nguyên tắc rung có động cơ của bộ phận rung công suất 0,3 kW

Máy nghiền ZINAL DFZC – 1135 có đường kính roto nghiền 1000mm, chiều rộng roto 350mm, quay với số vòng quay 1000 ÷ 1500 vòng/phút

Máy trộn DFMF – 33PL , loại dải vít hẹp nằm ngang có khả năng trộn tối đa 2300kg một mẻ

Máy ép viên DPCA – 420.138 Máy làm việc theo nguyên tắc khuôn con lăn, đường kính trong của khuôn 420mm, chiều rộng làm việc của khuôn 138mm, trong đó

có 2 con lăn đường kính ngoài 206mm Chi phí năng lượng riêng 25kWh/tấn Khuôn được làm bằng thép đặc biệt với đường kính lỗ 3mm

Máy làm nguội DFKG – 16

Các máy vận chuyển trong dây chuyền là gàu tải model RGEL và các vít tải

2.1.3.2 Dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi dạng viên năng suất 10 tấn / giờ của công ty Peja – VANASEN (Hà Lan)

Nguyên liệu dạng cục, dạng hạt được gàu tải đưa vào các silo chứa Dưới mỗi silo đều có vít tải để đưa nguyên liệu từ các silo cho bộ phận định lượng theo kiểu cân cộng dồn Hỗn hợp nguyên liệu đã định lượng được đưa vào máy nghiền Hỗn hợp bột nghiền được đưa vào máy trộn kiểu dải xoắn hẹp nằm ngang

Nếu hỗn hợp là dạng bột thì thức ăn được chuyển từ thùng chứa dưới máy trộn sang silo chứa thức ăn dạng bột để đóng bao Nếu sản xuất thức ăn viên thì thức ăn dạng bột được chuyển qua máy ép viên Sau máy ép viên là máy làm nguội, sàng phân loại, silo chứa, đóng bao

Máy ép viên: model Compact – 500 bao gồm máy trộn ẩm có đường kính 400mm dài 1940mm, động cơ có công suất 7,5kW (10HP) và phần máy ép viên

Máy làm nguội model TK – 1800 năng suất tối đa 7 tấn/h làm nguội viên có đường kính từ 3 ÷ 8mm, kích thước của máy 1800 × 1800 × 1600mm Các máy vận chuyển trong dây chuyền là các gàu tải model 200 × 200 chiều cao 23,5m năng suất 25 tấn/giờ và các vít tải model 250 có năng suất 25 tấn/ha

2.1.3.3 Dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi dạng viên năng suất 10 tấn / giờ của xí nghiệp SCALA (An Phú – Q9)

Đây là dây chuyền do Cộng hòa Liên Bang Đức chế tạo và lắp đặt tại xí nghiệp

An Phú (TP.HCM) từ trước năm 1975 và được bổ sung hoàn chỉnh lại năm 1996 Hệ thống máy có năng suất 10 tấn/giờ khi sản xuất thức ăn chăn nuôi dạng bột, tối đa 7 tấn/giờ đối với các thức ăn dạng viên Trong hệ thống gồm các máy có sẵn: máy trộn MIAG, máy nghiền MIAG – 21772, máy định lượng đóng bao Các máy nhập mới: máy xử lý hồng ngoại dùng để xử lý đậu nành MICRO RED – 20, máy ép viên RP

413, sàng làm sạch phân loại hạt OBG – 25, còn lại được lắp ráp trong nước

Với tổng giá thành trước và sau là khoảng 12 tỷ đồng Việt Nam, hiện nay nhà máy còn đang hoạt động tốt với chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật chăn nuôi

và được tiêu thụ trong cả nước, với giá thành sản phẩm cạnh tranh Ngoài ra sản phẩm còn được xuất khẩu Hiện nay nhà máy sản xuất trên 30 loại cho trâu bò, heo, gia cầm

Do đặc điểm của các nguyên liệu chế biến thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam rất đa dạng và khác nhau về tính chất cơ lý, vì vậy trong hệ thống máy, dây chuyền sản xuất, các máy có những thay đổi phù hợp Hệ thống silo chứa không phải là silo chứa hạt

mà là chứa bột đã nghiền từ nhiều máy nghiền cho các loại nguyên liệu cùng nhóm khác nhau Việc định lượng thực hiện từ 8 silo chứa đưa vào máy trộn bằng phương pháp cân cộng dồn (định lượng theo trọng lượng) và được điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình đã được định sẵn Các thiết bị này được nhập từ Pháp Máy trộn trong hệ thống là máy trộn 2 trục với đai xoắn hẹp nằm ngang Đường kính ngoài của vít 700mm chiều dài 3,5m Số vòng quay của trục 38 vòng/phút Máy do công ty MIAG lắp từ năm 1973 đã được hồi phục trở về trạng thái ban đầu Nếu sản xuất thức

ăn hỗn hợp dạng bột thì từ máy trộn thức ăn được xả vào Silo chứa bột để định lượng đóng bao

2.2 PLC S7-200

Trong các hệ thống sản xuất, trong các thiết bị tự động và bán tự động, hệ thống điều khiển đóng vai trò điều phối toàn bộ các hoạt động của máy móc thiết bị Các hệ thống máy móc và thiết bị sản xuất thường rất phức tạp, có nhiều đại lượng vật lý cần phải điều khiển để có thể hoạt động đồng bộ hoặc theo một trình tự công nghệ nhất định nhằm tạo ra một sản phẩm mong muốn

Nhờ sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điều khiển logic khả lập trình PLC (Programmable Logic Controller) đã xuất hiện và ngày càng trở nên hoàn thiện và đa năng

Chức năng chính của PLC là kiểm tra trạng thái của các đầu vào và điều khiển các quá trình hoặc các hệ thống máy móc thông qua các tín hiệu trên chính đầu ra của PLC Tổ hợp logic của các đầu vào để tạo ra một hay nhiều tín hiệu ra được gọi là điều khiển logic Các tổ hợp logic thường được thực hiện theo trình tự điều khiển hay còn gọi là chương trình điều khiển Chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC có thể lập trình bằng thiết bị cầm tay nối trực tiếp với PLC hoặc lập trình trên máy tính cá nhân bằng các phần mềm chuyên dụng và truyền vào PLC qua mạng hay cáp truyền dữ liệu

PLC là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngô ngữ lập trình, thay cho việc sử dụng thuật toán đó bằng mạch số Như vậy với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ PLC dưới dạng khối chương trình (khối OB, FC, hoặc FB) và thực hiện theo chu kỳ vòng quét

™ Ưu điểm của PLC

PLC có những ưu điểm mà các bộ điều khiển cổ điển dùng dây nối và Relay, mạch tích hợp, IC số không thể nào sánh được :

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

- Gọn nhẹ nên dễ dàng di chuyển, lắp đặt

- Dễ bảo quản, sửa chữa

- Bộ nhớ có dung lượng lớn, nạp xóa dễ dàng, chứa được những chương trình phức tạp

- Độ chính xác cao

- Khả năng xử lý nhanh

- Hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp

- Giao tiếp được với nhiều thiết bị khác, máy tính, mạng, các thiết bị điều khiển khác

Hình 2.2 Cấu hình cơ bản của PLC

2.2.1 Cấu trúc chung của một hệ thống PLC

Một hệ thống PLC cơ bản gồm hai phần: khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/O)

- Thiết bị đầu vào (Input): gồm có các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển như nút nhấn, cảm biến, công tắc hành trình,

- Cơ cấu chấp hành (Actuators): gồm các thiết bị điều khiển như chuông, đèn, công tắc, động cơ, van khí nén, điện trở, máy bơm, LED (Light Emitter Diode) hiển thị,…

- Chương trình điều khiển (Program): định ra qui luật thay đổi tín hiệu đầu ra (Output) theo tín hiệu đầu vào như mong muốn Các chương trình điều khiển được tạo ra bằng cách sử dụng bộ lập trình chuyên dùng cầm tay (Hand-hold programmer PG) hoặc chạy bằng phần mềm điều khiển trên máy vi tính sau đó được nạp vào PLC thông qua cổng nối giữa PLC và máy tính

- Khối điều khiển trung tâm (CPU: Central Processing Unit) gồm ba phần: bộ phận

xử lý, bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp

Sơ đồ khối một hệ thống được điều khiển bằng PLC được thể hiện như hình 2.11

Hình 2.3 Sơ đồ khối một hệ thống được điều khiển bằng PLC

2.2.2 Cấu trúc phần cứng PLC

Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, một bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên phải có các cổng vào ra để giao tiếp với các đối tượng điều khiển và để trao đổi thong tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ các bài toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm những khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ định thời thời gian (Timer), và những khối hàm chuyên dụng (hình 2.4)

sử dụng Tần số xung xác định tốc độ hoạt động của PLC và được dùng để thực hiện đồng bộ cho tất cả các phần tử trong hệ thống

Timer Couter Bit cờ

Quản lý ghép nối

Bộ đếm vào

ra

Cổng vào ra Cổng ngắt và đếm tốc độ cao

- Bộ đệm để lưu trạng thái các ngõ vào và ngõ ra

- Bộ nhớ tạm cho tác dụng định thì, tác vụ đếm, truy xuất cờ

™ Dung lượng bộ nhớ:

Đối với PLC loại nhỏ thường bộ nhớ có dung lượng cố định, thương là 2kByte Dung lượng này là vừa đủ đáp ứng cho khoảng 80% hoạt động điều khiển trong công nghiệp Do giá thành bộ nhớ liên tục giảm, các nhà sản xuất PLC trang bị bộ nhớ ngày càng lớn hơn cho các sản phẩm của họ

2.2.2.3 Khối vào ra (Input/ Output)

Mọi hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC có mức điện áp 5VDC và 15VDC (điện áp cho TTL và CMOS), trong khi tín hiệu điều khiển có thể lớn hơn nhiều, thường từ 24VDC đến 240VDC với dòng lớn

Khối vào ra có vai trò là mạch giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC với các mạch công suất bên ngoài, kích hoạt các cơ cấu tác động, nó thực hiện sự chuyển đổi

cá mức điện áp tín hiệu và cách ly Tuy nhiên khối vào/ra cho phép PLC kết nối trực tiếp với các cơ cấu tác động có công suất nhỏ, cỡ 2A trở xuống, không cần mạch công suất trung gian Có thể lựa chọn thông số cho các ngõ vào ra thích hợp với các yêu cầu điều khiển cụ thể

Tất cả các ngõ vào và ngõ ra đều được cách ly với các tín hiệu điều khiển bên ngoài bằng mạch cách ly quang trên các khối vào/ ra Mạch cách ly quang dùng một diod phát quang va một transistor quang gọi là một bộ opto – couplet Mạch này cho các tín hiệu điện áp nhỏ đi qua và ghim các tín hiệu điện áp cao xuống mức tín hiệu chuẩn Nó có tác dụng chống nhiễu khi chuyển công tắc và bảo vệ quá áp từ nguồn cấp điện, thường lên đến 1500V

Đối với các PLC loại nhỏ, các ngõ vào/ra vật lý được bố trí cùng với CPU, tất

chọn linh hoạt hơn cho các ngõ vào/ra vì có thể chọn các ngõ vào ra có nhiều loại khác nhau

Các module vào ra được thiết kế nhằm đơn giản việc kết nối các cơ cấu chấp hành và cảm biến và PLC Tất cả các ngõ vào/ra của PLC đều được thiết kế có các đầu đinh ốc cho phép nhanh chóng gỡ bỏ các module bị hỏng Tại mỗi đầu nối vào ra đều đánh số địa chỉ để nhận dạng các ngõ vào/ra cụ thể khi lập trình hay khi thực hiện chức năng giám sát trạng thái của chúng Trạng thái của từng ngõ vào/ra được thể hiện bằng LED chỉ báo ngay trên PLC có tác dụng kiểm tra tình trạng hoạt động của các cảm biến và cơ cấu tác động nối kết với PLC tiện lợi hơn

2.2.3 Cấu trúc của PLC

PLC S7-200 là loại nhỏ nhất trong các họ PLC của hãng Siemens (Đức) PLC S7-200 có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp nhưng có nhiều tính năng trong điều khiển tự động nên được sử dụng nhiều trong các hệ thống điều khiển

2.2.3.1 Các tính năng của PLC S7-200

- Hệ thống điều khiển Module nhỏ gọn

- Có nhiều loại CPU khác nhau

- Có nhiều Module mở rộng

- Bus nối tích hợp Module ở mặt sau

- Có thể nối mạng với cổng giao tiếp RS 485 hay Profibus

- Máy tính trung tâm có thể truy cập đến các Module

- Không quy định rãnh cắm

- Phần mềm điều khiển riêng

- Tích hợp CPU, I/O nguồn cung cấp vào một Module

- Micro PLC có nhiều tính năng tích hợp

2.2.3.2 Cách giao tiếp giữa máy tính và PLC

Để có thể giao tiếp giữa máy tính và PLC cho thực hiện việc Download hoặc Upload PLC ta phải thực hiện các bước sau:

Chọn cổng giao tiếp:

- Trường hợp giao tiếp là cáp USB thì cổng giao tiếp phải chọn USB

- Trường hợp giao tiếp là cáp COM thì phải chọn đúng cổng giao tiếp của máy tính

2.2.4 Phương pháp lập trình

S7-200 biểu diễn một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh lập trình Chương trình bao gồm một tập dãy các lệnh S7-200 thực hiện chương trình bắt đầu từ lệnh lập trình đầu tiên và kết thúc ở lệnh lập trình cuối trong một vòng Một vòng như vậy được gọi là vòng quét (scan)

Một vòng quét được bắt đầu bằng việc đọc trạng thái của đầu vào, và sau đó thực hiện chương trình và kết thúc bằng việc thay đổi trạng thái đầu ra Trước khi bắt đầu một vòng quét tiếp theo S7-200 thực thi các nhiệm vụ bên trong và nhiệm vụ truyền thông

Hình 2.6 Chu kì quét của S7-200 CPU

vẽ sơ đồ thang có hai thành phần cơ bản là nguồn năng lượng và các thiết bị logic điều kiện khác nhau tạo thành bậc thang Dòng điện lần lượt chạy qua từng bậc thang khi các đầu vào logic hay các điều kiện logic được đáp ứng và kích hoạt

™ Ngôn ngữ dạng STL (Statement list): là phương pháp liệt kê lệnh, trong chương trình nó được thể hiện dưới dạng tập hợp các câu lệnh, mỗi câu lệnh biểu diễn một chức năng của PLC

2.3 HMI/SCADA

2.3.1 Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu HMI/SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy (HMI – Human Machine Interface)

Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọng không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện người – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điều khiển cục bộ

Trong những năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống

Hình 2.7 Mô hình một hệ SCADA

2.3.1.1 Phân loại hệ thống SCADA

Các hệ thống SCADA được phân làm bốn nhóm chính với các chức năng:

- SCADA độc lập / SCADA nối mạng

- SCADA không có khả năng đồ hoạ / SCADA có khả năng xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực

™ Bốn nhóm chính của hệ thống SCADA

- Hệ thống SCADA mờ (Blind): Đây là hệ thống đơn giản, nó không có bộ

phận giám sát Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống này thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị Do tính đơn giản nên giá thành thấp

- Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực: Đây là hệ thống SCADA có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu Nhờ tập tin cấu hình của máy khai báo trước đấy mà hệ có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt động của hệ thống sản xuất Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái hoạt động của hệ thống Khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể báo cho người vận hành để xử lý kịp thời Cũng có thể hệ sẽ phát ra tín hiệu điều khiển dừng hoạt động của tất cả máy móc

- Hệ thống SCADA độc lập: Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với một bộ vi xử lý Hệ này chỉ có thể điều khiển được một hoặc hai máy móc Vì vậy

hệ này chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết

- Hệ thống SCADA mạng: Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với nhiều bộ vi xử lý Các máy tính giám sát được nối mạng với nhau Hệ này có khả năng điều khiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất Qua mạng truyền thông, hệ thống được kết nối với phòng quản lý, phòng điều khiển, có thể nhận quyết định điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ phòng thiết kế Từ phòng điều khiển có thể điều khiển hoạt động của các thiết bị ở xa

2.3.1.2 Những chuẩn đánh giá một hệ SCADA

Để đánh giá một hệ thống điều khiển và giám sát SCADA ta cần phải phân tích các đặc điểm của hệ thống theo một số các tiêu chuẩn sau: khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm đối với việc thực hiện xây dựng các màn hình giao diện

Số lượng và chất lượng của các thành phần đồ hoạ có sẵn, khả năng truy cập và cách kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành, sensor, module vào/ra qua PLC hay các hệ thống bus trường)

Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình, khả năng hỗ trợ

xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện và sự cố (Event

Tính năng thời gian thực và hiệu suất trao đổi thông tin, đối với nền Windows:

hỗ trợ sử dụng mô hình phần mềm ActiveX-Control và OPC

2.3.1.3 Cấu trúc chung của hệ SCADA

Trong hệ thống điều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật Còn hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trò là giao diện giữa người và máy Các thiết bị và các bộ phận của

hệ thống được ghép nối với nhau theo kiểu điểm-điểm (Point to Point) hoặc qua mạng truyền thông Tín hiệu thu được từ cảm biến có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hoặc tương tự Khi xử lý trong máy tính, chúng phải được chuyển đổi cho phù hợp với các chuẩn giao diện vào/ra của máy tính

Các thành phần chính của hệ thống SCADA bao gồm:

™ Giao diện quá trình: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi

và các cơ cấu chấp hành

™ Thiết bị điều khiển tự động: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các

bộ điều khiển khả trình PLC các thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy tính PC với các phần mềm điều khiển tương ứng

™ Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện người-máy HMI, các trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp

™ Hệ thống truyền thông: ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống

™ Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn

Nhìn chung SCADA là một hệ kết hợp phần cứng và phần mềm để tự động hoá việc quản lý giám sát điều khiển cho một đối tượng sản xuất công nghiệp Tuỳ theo yêu cầu cụ thể cụ thể của bài toán tự động hoá ta có thể xây dựng hệ SCADA thực hiện một số những nhiệm vụ tự động hoá như: thu thập giám sát từ xa về đối tượng, điều khiển đóng cắt từ xa lên đối tượng, điều chỉnh tự động từ xa với các đối tượng và các cấp quản lý

Các chức năng đó mỗi thứ đều có những yêu cầu đặc biệt đối với các bộ phận phần cứng, phần mềm, phần chuyên trách của SCADA

2.4 Citect SCADA

Vijeo Citect là giải pháp có khả năng mở rộng cao, độ linh hoạt tốt và độ tin cậy cao Nó phù hợp với các ứng dụng giám sát và điều khiển tự động hóa trong công nghiệp”, Donna Smalls – giám đốc sản phẩm HMI/SCADA của Schneider Electric North America cho biết “Phần mềm này có thể kết hợp với toàn bộ các dòng sản phẩm tự động hóa như PLC, HMI và nhiều sản phẩm khác”

Vijeo Citect đáp ứng được mọi kiểu ứng dụng trong sản xuất tự động hóa, mọi giải pháp phần phối điện đòi hỏi HMI/SCADA Bên cạnh đó, nó đáp ứng mọi yêu cầu của các trạm điều khiển độc lập và các hệ thống giám sát dự phòng Người sử dụng có thể tăng giảm kích thước theo yêu cầu mà không phải chỉnh sửa phần cứng/phần mềm

hệ thống hiện có, do đó giảm đáng kể chi phí

Tương tác và linh hoạt, phần mềm Vijeo Citect đem lại giải pháp phát triển và lắp đặt dễ dàng với các dịch vụ chìa khóa trao tay Phần mềm cũng cung cấp khả năng

dự phòng qua kiến trúc dựa trên tác vụ và hệ thống điều khiển phân tán Các đặc điểm

dự phòng được tích hợp và dễ cấu hình Phần mềm tạo ra tính năng ưu việt bằng cách cho phép người sử dụng tận dụng sức mạnh của nhiều thiết bị xử lý trung tâm (CPU) Khi khởi động, Vijeo Citect tự động tạo ra các thành phần riêng biệt qua nhiều CPU, giúp nâng cao hiệu năng và độ ổn định Trình quản lý Runtime Manager của phần mềm cung cấp khả năng điều khiển trên mỗi quá trình Thêm vào đó, nếu vì một lí do nào đó mà các thành phần dừng lại, chúng sẽ tự khởi động lại

Vijeo Citect hoàn toàn phù hợp với những ứng dụng quy mô nhỏ, trung bình và lớn trong bất kì môi trường tự động hóa công nghiệp nào, như thực phẩm & đồ uống, nước, nước thải, dầu khí, xử lý vật liệu và ôtô…

2.4.1 Các thành phần trong một dự án

2.4.1.1 Môi trường làm việc của dự án

™ Citect Explorer cho phép bạn thiết lập và quản lý dự án Citect HMI/SCADA, nó điều khiển cấu hình ứng dụng và cho phép chạy Project Editor, Graphics Builder và Cicode Editor Project Editor, Graphics Builder sẽ được mở khi

mà Citect Explorer được mở

™ Project Editor: thiết lập, soạn thảo một dự án

Là một trang đồ họa để có thể tạo những công cụ phục vụ cho việc kết nối, mô phỏng và giám sát quá trình

™ Cicode Editor: thiết lập mã chương trình để thông qua đó có thể điều khiển

và giám sát được dự án cùng với PLC

Hình 2.8 Màn hình soạn thảo cicode

2.4.1.2 Quản lý dự án

™ Tạo lập một dự án mới

™ Cài đặt cho máy tính chương trình hỗ trợ có giao diện tương tác với người dùng và hướng dẫn người dùng thực hiện một công việc từng bước một cách chính xác nhất

™ Sao lưu, phục hồi và xóa dự án

™ Những dự án được xây dựng sẵn

Sử dụng những dự án mà Citect SCADA đã xây dựng sẵn để có thể tham khảo

và phục vụ cho việc thiết lập một dự án mới được dễ dàng hơn

2.4.1.3 Cài đặt giao tiếp

™ Cài đặt chương trình giao tiếp

Đây là một tiện ích giúp người dùng tạo nhanh các thiết lập truyền thông với các với thiết bị phần cứng

Hình 2.9 Mô hình thiết lập truyền thông trong Citect SCADA

Trong Citect SCADA thì việc cài đặt giao tiếp được thể hiện trong mục

Khai báo server name

Khai báo Cluster

Hình 2.11 Màn hình khai báo biến trong variable tags

2.4.1.4 Trang đồ họa

Trang đồ họa (graphics) là một trong những yếu tố chính tạo nên hệ thống Citect Chúng là giao diện thiết bị điều khiển mà ta có thể thiết kế hiển thị dữ liệu Trang đồ họa trang mô hình bao gồm trang mô hình mà các đối tượng được lấy ra trong trang đó cũng như là những thuộc tính đặc trưng của trang đó

Khi bắt đầu một dự án mới thì trang mới có thể thiết kế theo yêu cầu của việc quan sát và mô phỏng

Dựa vào những công cụ cơ bản trong hộp thoại toolbox ta có thể vẽ và lấy những đối tượng cơ bản cần thiết cho mô hình Bất cứ một đối tượng nào được vẽ đều

có những thuộc tính đặc trưng và tùy vào yêu cầu quan sát và vận hành như thế nào mà chúng ta có thể khai báo cho những thuộc tính đó

Ngoài ra người dùng còn có thể thiết lập nên những trang cảnh báo (alarm), tạo lập trang genies và super genies, trang trend, trang báo cáo (report)

Tạo thêm biến

vào trong thẻ

Thay đổi thông tin của biến đã khai trước đó

Xóa một biến

đã khai

Trợ giúp khai báo trong Variable tags

2.5 STEP 7 MicroWin

Là phần mềm để viết chương trình cho PLC Trong phần mềm gồm có rất nhiều công cụ phục vụ cho việc viết những chương trình bao gồm Timer, nút nhấn thường đóng, thường mở, Counter

2.6 PC Access

Dùng để kết nối PLC S7-200 với Citect SCADA do S7-200 không có driver sẵn trong Citect SCADA do vậy để liên kết S7-200 với phần mềm Citect SCADA , ta phải cài đặt driver cho nó, driver đó là phần mềm PC Access

PC Acces còn là một OPC Server là một ứng dụng phần mềm hoạt động như một API (Application Programming Interface) hoặc chuyển đổi giao thức OPC Server

sẽ kết nối với một thiết bị như PLC, DCS (Distributed Control System), RTU (Remote Terminal Unit) hoặc một nguồn dữ liệu như một cơ sở dữ liệu hoặc giao diện người dùng và các dữ liệu vào một định dạng dựa trên tiêu chuẩn OPC OPC tuân thủ các ứng dụng như một HMI có thể kết nối vào máy chủ OPC và sử dụng nó để đọc và ghi

dữ liệu thiết bị

OPC còn là một OLE (Object Linking and Embedding) là một chuẩn công

nghiệp tạo ra với sự cộng tác của một số phần cứng tự động hóa hàng đầu trên toàn thế giới và các nhà cung cấp phần mềm, làm việc trong sự hợp tác với Microsoft Tiêu chuẩn xác định các phương pháp để trao đổi dữ liệu tự động hóa thời gian thực giữa các phần mềm dựa trên PC sử dụng hệ điều hành Microsoft OPC Server thường được gọi là Driver OPC

2.7 Simple Factory

Simple Factory là một thư viện với hơn 4.000 hình ảnh cho lĩnh vực tự động hóa trong công nghiệp Bao gồm những đối tượng như bơm, đường ống, van, bình chứa, công cụ vận chuyển vật liệu, hệ thống điện, cảm biến Những hình ảnh này phục vụ cho việc thiết lập tạo giao diện, mô phỏng cho các quá trình công nghiệp

Hình 2.12 Màn hình biểu diễn công cụ của Symple Factory

Đề tài đã xây dựng trên những nội dung sau:

- Khảo sát và tìm hiểu dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi dạng viên năng suất 6 – 7 tấn /giờ của công ty Bukler – Thụy Sĩ

- Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống dựa trên PLC S7 – 200 và phần mềm Citect SCADA để thiết lập giao diện, điều khiển và giám sát

3.2 Phương pháp

3.2.1 Phương pháp thực hiện phần giao diện

- Từ quá trình tham khảo và tìm hiểu thiết bị dẫn hướng có sẵn chọn dây

chuyền sản xuất

- Từ yêu cầu sản xuất thực tế chọn quy trình sản xuất

- Từ các thiết bị, phần mềm có sẵn thiết lập giao diện

- Chạy mô phỏng và tinh chỉnh giao diện

3.2.2 Phương pháp thực hiện phần lập trình

- Viết chương trình cho PLC trên phầm mềm S7 - 300

- Mô phỏng trên S7 – 300 Simulator

- Viết chương trình cho PLC S7 – 200 trên phần mềm STEP 7 Micro/Win

- Khai báo trên PC Access

- Tạo các tags như đã khai báo trong PC Access trong Citect SCADA

- Từ quy trình sản xuất thiết lập giao diện

- Viết chương trình trong Cicode