Ứng dụng PLC S71200 của SIEMENS thực hiện bài toán đo, điều khiển, cảnh báo nhiệt độ trong lò giới hạn trong dải 0150 0 C

Ứng dụng PLC S71200 của SIEMENS thực hiện bài toán đo, điều khiển, cảnh báo nhiệt độ trong lò giới hạn trong dải 0150 0 C Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong công nghiệp và dân dụng. Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có chức năng đóng mở ONOFF thông thường cho đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất. Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm : Hoá học và dầu khí : định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống ống dẫn, cân đong trong ngành hoá… Chế tạo máy và sản xuất : tự động hoá trong chế tạo máy, cân đong, quá trình lắp đặt máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại… Bột giấy, giấy, xử lý giấy : Điều khiển máy băm, quá trình ủ bọt, quá trình cán,gia nhiệt… Thuỷ tinh và phim ảnh : quá trình đóng gói, thử nghiệm vật liệu, cân đong, các khâu hoàn tất sản phẩm, đo cắt giấy. Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá : đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm, kiểm soát quá trình sản xuất, bơm (bia, nước trái cây…) cân đong, đóng gói, hoà trộn… Kim loại : Điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), qui trình sản xuất, kiểm tra chất lượng. Năng lượng : điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý trong các turbin, …) các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ). Sau đây chúng em xin trình bày về đề tài“ ứng dụng PLC đo, cảnh báo và điều khiển nhiệt độ trong lò” với dải đo (0150 o C).

MỞ ĐẦU

Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong công nghiệp và dân dụng Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có chức năng đóng mở ON/OFF thông thường cho đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm :

Hoá học và dầu khí : định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống ống dẫn, cân đong trong ngành hoá…

Chế tạo máy và sản xuất : tự động hoá trong chế tạo máy, cân đong, quá trình lắp đặt máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại…

Bột giấy, giấy, xử lý giấy : Điều khiển máy băm, quá trình ủ bọt, quá trình cán,gia nhiệt…

Thuỷ tinh và phim ảnh : quá trình đóng gói, thử nghiệm vật liệu, cân đong, các khâu hoàn tất sản phẩm, đo cắt giấy.

Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá : đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm, kiểm soát quá trình sản xuất, bơm (bia, nước trái cây…) cân đong, đóng gói, hoà trộn…

Kim loại : Điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), qui trình sản xuất, kiểm tra chất lượng.

Năng lượng : điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý trong các turbin, …) các trạm cần hoạt động tuần tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ) Sau đây chúng em xin trình bày về đề tài“ ứng dụng PLC đo, cảnh báo và điều khiển nhiệt độ trong lò” với dải đo (0-150 o C).

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

I Giới thiệu đề tài

Nhiệt độ là một trong những đại lượng vật lý, nó có mặt ở khắp mọi nơi và trong nhiều lĩnh vực, trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt Nhiệt độ trở nên là mối quan tâm hàng đầu cho các nhà thiết kế, điều khiển nhiệt độ trở thành một trong những mục tiêu hàng đầu của ngành Điều Khiển Tự Động Việc đo và kiểm soát nhiệt độ tốt quyết định rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm trong các ngành công nghiệp thực phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ, công nghệ chế tạo động cơ đốt trong.

Nhiệm vụ của đề tài:

- Ứng dụng PLC S7-1200 của SIEMENS thực hiện bài toán đo, điều khiển, cảnh báo nhiệt độ trong lò giới hạn trong dải 0-150 0 C

- Phân tích nguyên lý vận hành của hệ thống.

- Trình bày về phương pháp đo nhiệt độ lò.

- Xây dựng thuật toán đo nhiệt độ và phương pháp điều khiển tăng nhiệt độ lò.

- Phương pháp giao tiếp giữa PLC S7-1200 với các ngoại vi trong hệ thống?

- Viết trương trình điều khiển, chạy mô phỏng hệ thống.

II Phương pháp đo.

Ta có thể chia quá trình đi nhiệt độ ra làm 3 khâu chính:

1) Khâu chuyển đổi:

Khâu chuyển đổi nhiệt độ thường dựa trên những biến đổi mang tính chất đặc trưng của vật liệu khi chịu sự tác động của nhiệt độ.

Có các đặc trưng như sau:

+ Sự biến đổi điện trở.

+ Sức điện động sinh ra do sự chênh lệch nhiệt độ ở các mối nối của các kim loại khác nhau.

+ Sự biến đổi thể tích, áp suất.

+ Sự thay đổi cường độ bức xạ của vật thể khi bị đốt nóng.

Đối với chuyển đổi nhiệt điện, người ta thường dựa vào hai tính chất đầu tiên

để chế tạo ra các cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở kim loại hay bán dẫn, các cảm biến nhiệt độ dưới dạng các linh kiện bán dẫn như: Diode, transitor, các IC chuyên dụng.

2) Khâu xứ lý:

Các thông số về điện sau khi được chuyển đổi từ nhiệt sẽ được xử lý trước khi đưa đến khâu chỉ thị Các bộ phận ở khâu xử lý gồm có: phần hiệu chỉnh, khuếch đại, biến đổi ADC (analog – digital – converter)… Ngoài ra còn có thể có các mạch điện trở bổ sung như: mạch bù sai số, mạch phối hợp tổng trở…

3) Khâu chỉ thị:

Sử dụng IC giải mã, IC số chuyên dùng trong biến đổi Vì vậy cho phép ta sử dụng khâu chỉ thị số dễ dàng trên màn hình LCD, Led 7 thanh hay TD200 của PLC S7-200.

III Khái quát về PLC

1) PLC (Programmable Logic Control) là thiết bị điều khiển lập trình được hay khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình.

Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện, các sự kiện này được đưa vào PLC (ngõ vào) PLC sử dụng bộ nhớ lập trình để lưu trữ các lệnh, thực hiện các chức năng và thuật toán đi điều khiển máy và quá trình.

Sơ đồ khối PLC:

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn những yêu cầu sau: + Sử dụng một thiết bị điều khiển cơ bản cho 1 hệ thống điều khiển.

+ Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển với ngôn ngữ lập trình dễ học + Gọn nhẹ, dễ bảo quản sửa chữa, tạo được hệ thông linh hoạt, hiệu quả + Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp + Giao tiếp với các thiết bị thông minh khác: máy tính, nối mạng, các Modul

mở rộng.

+ Giá thành rẻ, đặc biệt với hệ thống điều khiển phức tạp.

2) Phần cứng

Sơ đồ khối:

Các bộ phận chủ yếu cà chức năng của chúng:

+ Bộ xử lý (CPU):

 Khối CPU là loại khối có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các

bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông… và có thể còn có một vài cổng ra số Các cổng vào ra số có trên CPU được gọi là cổng vào/ra

on board

 Khối CPU điều hành hoạt động của toàn bộ hệ thống

 Bộ số học và logic(ALLL): xử lý số học và logic Các thanh ghi: lưu trữ số liệu trong các quá trình thực hiện chương trình.

 Bộ điều khiển tuần tự và định thời gian:

 Biên dịch các tín hiệu.

 Thực hiện các hành động điều khiển theo chương trình.

 Truyền các tín hiệu điều khiển đến các thiết bị xuất.

+ Các kênh truyền (các bus)

 Hệ thống bus dùng để truyền các tín hiệu hệ thống gồm nhiều tín hiệu song song

 Date Bus:

 Thường là 8 bit, mỗi dây truyền 1 bit dạng số nhị phân.

 Dùng để truyền tải dữ liệu.

 Address Bus:

 Tải địa chỉ vị trí nhớ trong bộ nhớ rôgnj 8 bit hoặc 16 bit.

 Dùng để truyền tải địa chỉ đến các Modul khác nhau.

 Control Bus: truyền tín hiệu điều khiển từ CPU đến các bộ phận.

 Bus hệ thống: trao đổi thông tin giữa các cổng nhập/xuất và thiết bị nhập/xuất.

Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế Hệ thống Bus sẽ có nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa các CPU, bộ nhớ và I/O Bên cạnh đó CPU được cung cấp một xung clock có

tần số từ 1 ÷ 8 MHz Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống.

+ Bộ nguồn: cung cấp nguồn 1 chiều ổn định 5V cho CPU.

+ Các hoạt động xử lý bên trong PLC:

Xử lý chương trình: khi một chương trình được nạp vào bộ nhớ của PLC, các lệnh sẽ được trọn một vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ PLC có bộ đếm địa chỉ ở bên trong vi xử lý, và các chương trình ở bên trong bộ nhớ sẽ được bộ vi xử lý thực hiện một cách tuần tự từng lệnh một thực hiện theo 3 giai đoạn:

 Giai đoạn 1: bộ xử lý đọc đầu vào trạng thái phần chương trình phục

vụ công việc này có sẵn trong PLC được gọi là hệ điều hành.

 Giai đoạn 2: bộ xử lý sẽ đọc xử lý tuần tự từng lệnh một trong chương trình Bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiều các đầu vào Thực hiện các phép toán logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạnh thái của các đầu ra.

 Giai đoạn 3: bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mở cho các đầu ra tại các Modul đầu ra.

Xử lý xuất nhập: xử lý I/O trong PLC.

IV PLC SIEMENS S7-1200.

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:

-S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát

nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh

làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với

S7-1200

-S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn,

các đầu vào/ra (DI/DO).

-Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương

trình điều khiển:

+Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC

+Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình

-S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.

Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thong mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232.

-Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL.Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 11 của Siemens -Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI

2.Các module trong hệ PLC S7-1200

2.1 Giới thiệu về các module CPU

Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ chương trình khác nhau….

- Ngõ ra analog

-AO 1 x 12bit

-+/- 10VDC, 0 – 20mA

Cards ứng dụng:

-CPU tín hiệu để thích ứng với các ứng dụng

-Thêm điểm của kỹ thuật số I/O hoặc tương tự với CPU như các yêu cầu ứng dụng -Kích thước của CPU sẽ không thay đổi

Module xuất nhập tín hiệu số

Module xuất nhập tín hiệu tương tự

V Sử dụng module Analog.

1) Giới thiệu chung về module analog

Analog output cũng là một phần của module analog Thực chất nó là một

bộ biến đổi số - tương tự (D/A) Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào thànhtín hiệu tương tự ở đầu ra Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đotương tự Chẳng hạn như điều khiển Van mở với góc từ 0-100%, hayđiều khiển tốc độ biến tần 0-50Hz

d) Nguyên lý hoạt động chung của các cảm biến và các tín hiệu đo chuẩntrong công nghiệp

- Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc

dòng điện Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tínhiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng Vìvậy người ta cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này

về tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu

đo hay cảm biến

- Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input và tín

hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của côngnghiệp.Có 2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện

+ Điện áp : 0 – 10V, 0-5V, ± 5V…

+ Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA, ± 10mA

- Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn Vìvậy người ta cần phải dùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng vềchuẩn công nghiệp

- Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộ cảmbiến hoàn chỉnh , thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn là thiết

đo và chuyển đổi đo ( bộ transducer)

Analog Input ( A/D) Các con số

Analog Output ( D/A) Các con số

Đầu đo Thiết bị chuyển

2) Giới thiệu về module analog EM 235

- EM 235 là một module tương tự gồm có 4AI và 1AO 12bit (có tích hợp các

bộ chuyển đổi A/D và D/A 12bit ở bên trong)

a) Các thành phần của module analog EM235

4 đầu vào tương tự

được kí hiệu bởi

các chữ cái

A,B,C,D

A+ , A- , RA Các đầu nối của đầu vào AB+ , B- , RB Các đầu nối của đầu vào BC+ , C- , RC Các đầu nối của đầu vào CD+ , D- , RD Các đầu nối của đầu vào D

1 đầu ra tương tự (MO,VO,IO) Các đầu nối của đầu ra

giải

Sơ đồ khối đầu vào Analog

Sơ đồ khối đầu ra Analog

b) Định dạng dữ liệu

- Dữ liệu đầu vào:

+ Kí hiệu vùng nhớ : AIWxx (Ví dụ AIW0, AIW2…)

- Dữ liệu đầu ra:

+ Kí hiệu vung nhớ AQWxx (Ví dụ AQW0, AQW2…)

- Đầu vào tương tự:

+ Với thiết bị đo đầu ra kiểu điện áp:

RA A+

L+ M

+ Với thiết bị đo tín hiệu đầu ra dòng điện:

PS PS M

+ -

+

VO

IO

Tải điện áp Tải dòng điện

M

L+

Nguồn

24 VDC

- Cấp nguồn cho module:

Tổng quát cách nối dây:

d) Cài đặt dải tín hiệu vào

Module EM 235 cho phép cài đặt dải tín hiệu và độ phân giải của đầuvào bằng switch:

On Off

Sau đây là bảng cấu hình :

e) Trình tự thiết lập và căn chỉnh cho module analog

 Căn chỉnh đầu vào cho module analog

- Hãy tắt nguồn cung cấp cho module.

- Gạt switch để chọn dải đo đầu vào

- Bật nguồn cho CPU và module để module ổn định trong vòng 15 phút

- Sử dụng các bộ truyền, nguồn áp, hoặc nguồn dòng, cấp giá trị o đến mộttrong những đầu vào

- Đọc giá trị nhận trong CPU

- Căn cứ vào giá trị hãy chỉnh OFFSET để đưa giá trị về 0(căn chỉnh đến 0) hoặc giá trị cần thiết kế

- Sau đó nối một trong những đầu vào với giá trị lớn nhất của dải đo

- Đọc giá trị nhận được trong CPU

- Căn cứ vào giá trị đó hãy chỉnh GAIN để được giá trị là 32760 hoặc giá trị số cần thiết kế

- Lặp lại các bước chỉnh OFFSET và GAIN nếu cần thiết

 Chú ý

- Phải chắc chắn nguồn cung cấp cho cảm biến phải được loại bỏ nhiễu và phải ổn định

- Dây dẫn tín hiệu phải có lớp bảo vệ chống nhiễu

- Các đầu vào analog không sử dụng phải được nối ngắn mạch(ví dụ A+ nối với A-)

3) Một số ứng dụng

Viết chương trình con tính toán giá trị điện áp đo từ chiết áp

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

I Lựa chọn thiết bị.

1) Cảm biến nhiệt độ

- Là dụng cụ chuyển đổi đại lượng nhiệt thành các đại lượng vật lí khác, như điện, áp suất…Cảm biến nhiệt độ có khả năng nhận biết được tín hiệu nhiệt

độ một cách chính xác và chuển đổi thành tín hiệu đo lường

- Cụ thể, bài tập lớn này chúng em sử dụng cặp nhiệt điện Đây là dụng cụ đo nhiệt độ rộng rãi trong công nghiệp

- Cơ sở chế tạo cặp nhiệt điện dựa trên các nguyên lý sau

+ Hiệu ứng thomson: qua 1 dây dẫn cd dòng điện I và hiệu nhiệttrên dây là T1-T2 thì sẽ có một sự hấp thụ to

+ Hiệu ứng Seebeck: trong 1 dây dẫn bất kỳ, khi có sự chênh lệchnhiệt độ tại một điểm thì ngay tại điểm đó xuất hiện một suất điệnđộng

+ Hiệu ứng Pentier: Khi dòng điện đi qua một mối nối của 2 dâydẫn thì tại vị trí mối nối sẽ có sự hấp thị hay tỏa to

- Nguyên tắc, cấu tạo của cặp nhiệt độ đựa theo cơ sở thực nghiệm

Khi nung nóng một dây dẫn kim loại hay một đoạn dây, tại đó tập chungđiện tử tự do và có khuynh hướng khuếch tán từ nơi tập chung nhiều đến nơitập chung ít Có nghĩa từ đầu nóng(+) sang đầu nguội(-) (hiệu ứng Seebeck)

ở đoạn dây suất diện động thomson thụ thuộc vào bản chất của dây kim loại

- Cấu tạo: Cặp nhiệt điện được chế tạo bằng 2 sợi kim loại khác nhau, và có ítnhất là 2 mối nối Một đầu được giữ ở nhiệt độ chuẩn gọi là đầu ra, đầu cònlại tiếp xúc với đối tượng đo Cặp nhiệt điện có cực âm và cực dương(đánhdấu màu) Tùy theo vật liệu chế tạo, cặp nhiệt điện được chia thành các loạisau

+ Loại S: kết hợp giữa sắt và constantan, trong đó sắt là cực dương,constantan là cực âm Hệ số seebeck là 51µV/oc ở 20oC

+ Loại T: kết hợp giữa đồng với constantan, đồng là cực dương,constantan là cực âm Hệ số seebeck(s) là 40µV/oC ở 20oC

+ Loại E: kết hợp giữa Chromel(+) và constantan(-) S=62µV/oC ở 20 oC+ Loại S,R,B: dùng hợp kim platinum và rhodirum, có S=7µV/oC ở

20oC

- Cách sử dụng:

+ Cặp nhiệt điện cần có vỏ bảo vệ chống tác nhân bề ngoài Đặt ở nơi thích hợp vì nhiệt không phân bố đều

+ Vị trí lắp đặt, tránh có từ trường, điện trường mạnh(trong bài có sử dụng

hệ thống quạt gây nhiễu)

+ Để cặp nhiệt thẳng đứng đề phòng ống bảo vệ biến dạng do nhiệt độ cao

- Quan biểu đồ ở trên, ta sử dụng cặp nhiệt độ K để phù hợp với bài tập lớn

Có dải đo từ 0 đến 150 oC, và dải điện áp từ 0-55mV

Ta có công thức tính U=S(Td-Tq)

S: Độ nhạy cảm của cảm biến S=40 µV/oC ở 20 oC

Td: Nhiệt độ cần đo

Tq:Nhiệt độ môi trường

- Do tín hiệu của cảm biến phụ thuộc vào giá trị đo và nhiệt độ môi trườngnân cần có biện pháp khử giá trị môi trường

- Mặt khác, do điện áp thay đổi một lượng rất nhỏ khi nhiệt độ thiết bị thayđổi từ 0 oC -150 oC nên nó phải được đưa qua một bộ khuếch đại điện áptrước khi đưa vào ngõ vào analog của PLC

- Cụ thể, ta sử dụng mạch đơn giản để khuếch đại điện áp nó phụ thuộc vàogia trị của 2 điện trở R1,R2