Thiết kế giao diện cho mô hình đo lường độ ôxy hòa tan (DO) sử dụng phần mềm TIA portal và bộ điều khiển PLC s7 300 (sử dụng khối hàm FC)

Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hồng Quốc Xun BỘ CƠNG THƯƠNG Cộng Hịa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập-Tự do-Hạnh Phúc BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC : SCADA, DCS VÀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP Họ tên HS-SV : Nhóm 11 Ngơ Văn Hồn Dương Xn Long Kiều Hiền Lương Lớp : ĐH TĐH2 Khoá:10……………………………………………………… Khoa:Điện ………………………………………………… Giáo viên hướng dẫn : Hoàng Quốc Xuyên NỘI DUNG Thiết kế giao diện cho mơ hình đo lường độ Ơxy hịa tan (DO) sử dụng phần mềm TIA-Portal điều khiển PLC S7-300 (Sử dụng khối hàm FC) PHẦN THUYẾT MINH Chương 1- Tìm hiểu cảm biến đo độ Ơxy hịa tan (DO) Chương 2- Giới thiệu tổng quan phần mềm TIA-Portal điều khiển PLC S7-300 Chương 3- Lập trình cho điều khiển thiết kế giao diện giám sát cho hệ thống Chương 4- Kết mô Ngày giao đề : 18/9/2018 Ngày hoàn thành : 01/12/2018 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hồng Quốc Xun Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hoàng Quốc Xuyên LỜI MỞ ĐẦU Cũng loài sinh vật sống cạn, thủy sinh vật cần có oxy để trì sống.Đa phần thủy sinh vật điều sử dụng oxy hòa tan nước.Lượng oxy hòa tan nước gọi tắt DO ( Dessolved Oxygen ) Ngày công nghiệp nuôi trồng thủy sản công nghệ xử lý nước trọng tới việc đánh giá lượng DO nhằm giúp thủy hải sản phát triển tốt việc đánh giá mức độ nhiễm nước.Bên cạnh giúp cho phát biến cố để kịp thời xử lý (Như thiếu oxy hòa tan nước khiến thủy sản chết hàng loạt tăng trưởng chậm).Do oxy hòa tan yếu tố quan trọng thiếu thủy vực Vì với đề tài chúng em xin đưa mơ hình điều khiển giám sát mức độ DO nước tan sử dụng phần mềm TIA-Portal điều khiển PLC S7-1200 (Sử dụng khối hàm FC) giúp sinh vật phát triển Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hoàng Quốc Xuyên Mục Lục LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG : TÌM HIỂU CÁC CẢM BIẾN ĐO ĐỘ OXY HÒA TAN (DO) .4 1.1.Sơ lược DO 1.2.Phương pháp xác định DO 1.2.1.Có thể xác định DO hai phương pháp khác 1.2.2.Kỹ thuật phân tích 1.2.2.1.Phương pháp Winkler 1.2.2.2.Phương pháp điện cực oxy hoà tan- máy đo oxy 1.3.Lựa chọn cảm biến: 1.3.1.Giới thiệu cảm biến 1.3.2 Thông số kỹ thuật CHƯƠNG : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TIA PORTAL & PLC 300 2.1.Tổng quan TIA PORTAL .8 2.2.Tổng quan PLC S7-300 11 2.2.1 Tổng quan điều khiển khả trình PLC 11 2.2.2 Cấu trúc Module S7-300 12 2.2.2.1 Cấu trúc PLC S7-300 12 - Tổ chức nhớ CPU: cách phân chia nhớ cho vùng nhớ khác Cấu trúc nhớ CPU PLC S7-300 bao gồm: .15 2.2.3 Các module PLC S7-300 16 2.2.3.4 Module mở rộng: 17 2.2.3.10 Trao đổi liệu CPU module mở rộng: .19 2.3 Làm việc với phần mềm Tia Portal 20 2.3.1 Giới thiệu SIMATIC STEP Basic – tích hợp lập trình PLC HMI 20 2.3.2 Kết nối qua giao thức TCP/IP .21 2.3.3 Cách tạo Project 21 2.3.4 TAG PLC / TAG local 23 2.4 Làm việc với trạm PLC 25 2.4.1 Quy định địa IP cho module CPU 25 2.4.2 Đổ chương trình xuống CPU .25 Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hoàng Quốc Xuyên 2.4.3 Giám sát thực chương trình 25 2.5 Kỹ thuật lập trình 25 2.5.1 Vịng qt chương trình 25 2.5.2 Cấu trúc lập trình 26 2.5.2.1 Khối tổ chức OB – OGANIZATION BLOCKS .26 2.5.2.2 Hàm chức – FUNCTION 26 2.6 Tập lệnh S7-300 27 2.6.1 Lệnh xử lý bit .27 2.6.2 Lệnh Timer, Counter 29 2.6.2.1.Timer 29 2.6.2.2 Counter .30 CHƯƠNG 3: 31 LẬP TRÌNH CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG 31 3.1 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM THIẾT KẾ WINCC 31 3.1.1 Giới thiệu chung 31 3.1.2 Các đặc điểm chính: .32 3.1.2.1 Sử dụng công nghệ phần mềm tiên tiến: 32 3.1.2.2 Hệ thống khách chủ với chức SCADA: .32 3.1.2.3 Có thể nâng cấp mở rộng dễ dàng từ đơn giản đến phức tạp: 32 3.1.2.4 Cơ sở liệu ODBC/SQL tích hợp sẵn: 33 3.1.2.5 Các giao thức chuẩn mạnh (DDE, OLE, ActiveX, OPC): 33 3.1.2.6 Ngôn ngữ vạn năng: 33 3.1.2.7 Giao diện lập trình API mở cho việc truy cập tới hàm WinCC liệu: 33 3.1.2.8 Cài đặt phần mềm với khả lựa chọn ngôn ngữ: 33 3.1.2.9 Giao tiếp với hầu hết loại PLC: 33 3.1.2.10 WinCC phần tử hệ thống Tự động hố tích hợp tồn diện (Totally Integrated Automation-TIA): 33 3.1.3 Các cấu hình hệ thống bản: .33 3.2 Lập trình khối hàm FC 34 3.3 Lập trình cho điều khiển 35 3.3.1.Cấu hình phần cứng Tia Portal 35 Từ chương I, chúng em chọn cảm biến đo lượng Oxy hòa tan có thơng số kỹ thuật sau: 35 3.3.2.Viết chương trình cho khối hàm FC .36 Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hoàng Quốc Xuyên 3.4.Thiết kế giao diện giám sát hệ thống .40 CHƯƠNG 4- KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 41 4.1.Kết mô 41 4.2 Nhận xét: 41 Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hồng Quốc Xun CHƯƠNG : TÌM HIỂU CÁC CẢM BIẾN ĐO ĐỘ OXY HÒA TAN (DO) 1.1.Sơ lược DO -Oxy hịa tan lượng oxy có nước tính mg/l hay % bão hịa dựa vào nhiệt độ Phần trăm bão hòa phần trăm tiềm tàng nước để giữ oxi có mặt nước Oxy nước mặt dao động từ mg/l nguồn nước có điều kiện tệ 15 mg/l nước đóng băng -Oxy hồ tan nước đóng vai trị quan trọng động vật thuỷ sinh nói chung động vật thuỷ sản nói riêng, oxy hồ tan thuỷ vực có hai nguồn chính: khuyếch tán từ khơng khí (nhờ gió, sóng) tảo quang hợp tạo ra, oxy bị tiêu hao q trình: vào khơng khí, hơ hấp tảo động vật, phân huỷ chất hữu vi sinh vật, chất sa lắng lớp bùn Đảm bảo lượng oxy hoà tan cần thiết cho thuỷ vực đảm bảo suất nuôi trồng thủy sản, chất lượng sản phẩm thuỷ sản -Nhằm mục đích theo dõi đánh giá nồng độ oxy tan nước để đảm bảo sống cho sinh vật thủy sinh ta sử dụng cảm biến oxy hòa tan DO 1.2.Phương pháp xác định DO 1.2.1.Có thể xác định DO hai phương pháp khác - Phương pháp Winkler (hóa học) - Phương pháp điện cực oxy hịa tan - máy đo oxy 1.2.2.Kỹ thuật phân tích 1.2.2.1.Phương pháp Winkler - Cách tiến hành: Oxy nước cố định sau lấy mẫu hỗn hợp chất cố định (MnSO4, KI, NaN3), lúc oxy hòa tan mẫu phản ứng với Mn2+ tạo thành MnO2 Khi đem mẫu phịng thí nghiệm, thêm acid sulfuric hay phosphoric vào mẫu, lúc MnO2 oxy hóa I- thành I2 Chuẩn độ I2 tạo thành Na2S2O3 với thị hồ tinh bột Tính lượng O2 có mẫu theo cơng thức: DO (mg/l) = (VTB x N/ VM ) x x 1.000 Trong đó: VTB: thể tích trung bình dung dịch Na 2S2O3 0,01N (ml) lần chuẩn độ N: nồng độ đương lượng gam dung dịch Na 2S2O3 sử dụng 8: đương lượng gam oxy VM: thể tích (ml) mẫu nước đem chuẩn độ 1.000: hệ số chuyển đổi thành lít Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hoàng Quốc Xuyên 1.2.2.2.Phương pháp điện cực oxy hoà tan- máy đo oxy - Đây phương pháp sử dụng phổ biến Máy đo DO dùng để xác định nồng độ oxy hòa tan trường Điện cực máy đo DO hoạt động theo nguyên tắc: dòng điện xuất điện cực tỷ lệ với lượng oxy hòa tan nước khuếch tán qua màng điện cực, lúc lượng oxy khuếch tán qua màng lại tỷ lệ với nồng độ oxy hòa tan Đo cường độ dòng điện xuất cho phép xác định DO - Các cảm biến đo hàm lượng oxy hịa tan thơng dụng hoạt động dựa nguyên lý Macbeth đề xuất, đó, cảm biến hoạt động giống pin điện hóa - Nguyên lý cấu tạo hoạt động cảm biến trình bày sơ đồ Hình Cảm biến đo hàm lượng oxy hòa tan Trong cảm biến chứa dung dịch KCl điện cực, anốt kẽm hay chì catốt bạc Một màng chắn xốp ngăn cách phần cảm biến dung dịch cần đo cho phép oxy di chuyển vào cảm biến Tại anốt xẩy oxy hóa : Zn → Zn2 + + e Tại catốt xẩy khử oxy : 2 e -+ ½ O2 + H2O → OH Do phản ứng oxy hóa khử mà cảm biến hoạt động giống pin điện hóa tạo dịng điện Cường độ dòng điện phụ thuộc vào hàm lượng oxy hòa tan dung dịch đo Khi đo cường độ dòng điện ta xác định hàm lượng oxy hòa tan Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hồng Quốc Xuyên Cấu tạo thực tế cảm biến trình bày Hình 1b, catốt lõi giữa, anốt ống bọc catốt Tất đặt thân 1.3.Lựa chọn cảm biến: Nhằm đáp ứng nhu cầu cơng nghệ nhóm chúng em xin đưa cảm biến GLI5500 –một loại cảm biến đo DO hay sử dụng thị trường 1.3.1.Giới thiệu cảm biến Hình2 Cảm biến GLI5500 GLI5500 sử dụng công nghệ tế bào polarographic Clark, hệ thống cảm biến bao gồm ba đo anot bạc, catot vàng điện cực bạc tham chiếu Cảm biến tham chiếu bạc cho tín hiệu rõ nhờ sử dụng số phép đo điện áp phân cực đóng vai trị ổn định, để tránh gián đoạn hệ thống cảm biến Với việc sử dụng ba cảm biến tế bào kết hợp với việc điện cực oxy hòa tan GLI 5500 cho phép ta xác đinh DO với độ xác ổn định cao Tính : - Màng chống bám bẩn bền Màng thẩm thấu có tính kị nước dày 50 micron đảm bảo sensor không bị đóng bám cặn hoạt động mơi trường khắc nghiệt nhà máy xử lý nước thải - Bao bọc toàn Cấu trúc thiết kế bao bọc toàn để bảo vệ phận điện tử bên sensor tránh khỏi vấn đề độ ẩm, kéo dài tuổi thọ sensor Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hồng Quốc Xun - Kiểu gắn đa dạng Có thể lắp sensor vào khung gắn kiểu trục, kẹp hay lắp vào ống đứng, khớp quay hay cầu để định vị trí sensor lấy sensor khỏi hệ thống dễ dàng Kiểu lắp với cầu giúp sensor nhấp nhô lên xuống để màng điện cực va chạm nhẹ nhàng với dòng mẫu Kiểu gắn nhúng ngập giúp cố định vị trí độ sâu cần đo đạc bể 1.3.2 Thông số kỹ thuật Đầu Analog :4-20mA Dải đo oxy hòa tan: 0-20 mg/L Giao thức truyền thông RS-232 & 485, Profibus DPV1 RS-232 N / A Lớp bảo vệ NEMA4X (IP66), / 2DIN NEMA4X (IP65), / 4DIN (panel) NEMA4X Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hoàng Quốc Xuyên CHƯƠNG : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TIA PORTAL & PLC 300 2.1.Tổng quan TIA PORTAL - Siemens giới thiệu TIA Portal – phần mềm sở tích hợp tất phần mềm lập trình điều khiển cho hệ thống tự động hóa truyền động điện Việt Nam - Vào ngày 21 tháng năm 2011, thành phồ Hồ Chí Minh, phận Tự động hóa Công nghiệp thuộc công ty Siemens Việt Nam mắt thị trường Việt Nam phần mềm lập trình công nghiệp sử dụng chung môi trường, phần mềm cho tất tác vụ tự động hóa, với tên gọi Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal) Đây phần mềm lập trình điều khiển trực quan, hiệu xác thực giúp khách hàng thiết kế tồn chương trình tự động hóa cách tối ưu giao diện phần mềm nhất, từ mang đến cho nhà tích hợp hệ thống doanh nghiệp sản xuất hội nâng cao suất lợi cạnh tranh hữu hiệu - Được thiết kế với giao diện thân thiện người sử dụng, TIA Portal thích hợp cho người lẫn người nhiều kinh nghiệm lập trình tự động hóa Là phần mềm sở cho phần mềm dùng để lập trình, cấu hình, tích hợp thiết bị dải sản phẩm Tích hợp tự động hóa tồn diện (TIA) Siemens Ví dụ phầm mềm Simatic Step V11 để lập trình điều khiển Simatic, Simatic WinCC V11 để cấu hình hình HMI chạy Scada máy tính - Để thiết kế TIA portal, Siemens nghiên cứu nhiều phần mềm ứng dụng điển hình tự động hóa qua nhiều năm, nhằm mục đích hiểu rõ nhu cầu khách hàng toàn giới Là phần mềm sở để tích hợp phần mềm lập trình Siemens lại với nhau, TIA Portal giúp cho phần mềm chia sở liệu, tạo nên thống giao diện tính tồn vẹn cho ứng dụng Ví dụ, tất thiết bị mạng truyền thơng cấu hình cửa sổ Hướng ứng dụng, khái niệm thư viện, quản lý liệu, lưu trữ dự án, chẩn đốn lỗi, tính online đặc điểm có ích cho người sử dụng sử dụng chung sở liệu TIA Portal - Tất khiển PLC, hình HMI, truyền động Siemens lập trình, cấu hình TIA portal Việc giúp giảm thời gian, công sức việc thiết lập truyền thơng thiết bị Ví dụ người sử 10 Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hồng Quốc Xuyên Giá trị bit có địa n đầu vào lệnh Khi đầu vào lệnh bit giữ ngun trạng thái Tốn hạng n: Q, M, L, D Giá trị bit có địa n đầu vào lệnh Khi đầu vào lệnh bit giữ nguyên trạng thái Toán hạng n: Q, M, L, D Giá trị bit có địa đầu vào lệnh Khi đầu vào lệnh bit giữ nguyên trạng thái Trong số bit giá trị n Toán hạng OUT: Q, M, L, D n : số Giá trị bit có địa đầu vào lệnh Khi đầu vào lệnh bit giữ nguyên trạng thái Trong số bit giá trị n Toán hạng OUT: Q, M, L, D n : số Tiếp điểm phát cạnh lên phát xung đầu vào tiếp điểm P có chuyển đổi từ mức thấp lên mức cao Trạng thái tín hiệu lưu lại vào “M_BIT” Độ rộng xung thời gian chu kì quét Thay đổi trạng thái tín hiệu phía trước khơng ảnh hưởng đến “IN” Phát thay đổi trạng thái tín hiệu “IN” từ lên Trạng thái tín hiệu IN lưu lại vào “M_BIT” Độ rộng xung thời gian chu kì quét 31 Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hồng Quốc Xuyên Tiếp điểm phát cạnh xuống phát xung đầu vào tiếp điểm có chuyển đổi từ mức cao xuống mức thấp Trạng thái tín hiệu lưu lại vào “M_BIT” Độ rộng xung thời gian chu kì qt Thay đổi trạng thái tín hiệu phía trước khơng ảnh hưởng đến “IN” Phát thay đổi trạng thái tín hiệu “IN” từ xuống Trạng thái tín hiệu IN lưu lại vào “M_BIT” Độ rộng xung thời gian củamột chu kì quét 2.6.2 Lệnh Timer, Counter 2.6.2.1.Timer Sử dụng lệnh Timer để tạo chương trình trễ định thời.Số lượng Timer phụ thuộc vào người sử dụng số lượng vùng nhớ CPU.Mỗi timer sử dụng 16 byte IEC_Timer liệu kiểu cấu trúc DB Step tự động tạo khối DB lấy khối Timer Kích thước tầm kiểu liệu Time 32 bit, lưu trữ liệu Dint: T#14d_20h_31m_23s_648ms đến T#24d_20h_31m_23s_647ms -2.147.483.648 ms đến 2.147.483.647 ms Timer TP tạo chuỗi xung với độ rộng xung đặt trước Thay đổi PT, IN không ảnh hưởng Timer chạy Khi đầu vào IN tác động vào timer tạo xung có độ rộng thời gian đặt PT Timer trễ sườn lên có nhớ - Timer TONR Thay đổi PT không ảnh hưởng Timer vận hành, ảnh hưởng timer đếm lại Khi ngõ vào IN chuyển sang “FALSE” khinvận hành timer dừng khơng đặt lại định Khi chân IN “TRUE” trở lại Timer bắt đầu tính thời gian từ giá trị thời gian tích lũy 32 Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hồng Quốc Xuyên Timer trễ không nhớ- TON Khi ngõ vào IN ngừng tác động reset dừng hoạt động Timer Thay đổi PT Timer vận hành khơng có ảnh hưởng Timer trễ sườn xuống- TOF Khi ngõ vào IN ngừng tác động reset dừng hoạt động Timer Thay đổi PT Timer vận hành ảnh hưởng 2.6.2.2 Counter Lệnh Counter dùng để đếm kiện hay kiện trình PLC Mỗi Counter sử dụng cấu trúc lưu trữ khối liệu DB để làm liệu Counter Step tự động tạo khối DB lấy lệnh Tầm giá trị đếm phụ thuộc vào kiểu liệu mà bạn chọn lựa.Nếu giá trị đếm số Interger khơng dấu, đếm xuống tới đếm lên tới tầm giới hạn.Nếu giá trị đếm số interder có dấu, đếm tới giá trị âm giới hạn đếm lên tới số dương giới hạn Counter đếm lên –CTU Giá trị đếm CV tăng lên tín hiệu ngõ vào CU chuyên từ lên Ngõ Q tác động lên CV>=PV Nếu trạng thái R = Reset tác động đếm CV = 33 Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hoàng Quốc Xuyên Counter đếm xuống – CTD Giá trị đếm giảm tín hiệu ngõ vào CD chuyển từ lên Ngõ Q tác động lên CV =PV Nếu trạng thái R = Reset tác động đếm CV = Giá trị đếm CV giảm tín hiệu ngõ vào CD chuyển từ lên Ngõ QD tác động lên CV Chọn Add new block => Chọn khồi Function(FC) => Nhấn OK Sau khởi tạo khối hàm FC, ta bắt đầu viết chương trình cho khối hàm Để xử lý tín hiệu analog PLC S7-300, ta sử dụng hàm Scale: 39 Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hồng Quốc Xuyên 40 Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hồng Quốc Xun 3.3.3 Khối chương trình OB1: 41 Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hồng Quốc Xun 42 Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hồng Quốc Xun 43 Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hồng Quốc Xuyên 3.4.Thiết kế giao diện giám sát hệ thống Bảng khai báo biến giao diện giám sát Giao diện thiết kế giám sát hệ thống 44 Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10 Giáo viên hướng dẫn : Hoàng Quốc Xuyên CHƯƠNG 4- KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 4.1.Kết mơ 4.2 Nhận xét: Sau thực xong đề tài “Thiết kế giao diện cho mơ hình đo lường độ Ơxy hịa tan (DO) sử dụng phần mềm TIA-Portal điều khiển PLC S7-300 (Sử dụng khối hàm FC)” nhóm em thu kiến thức định độ oxy hòa tan, sử dụng phần mềm TIA-Portal Chúng em thiết kế mơ hình cho đề tài phần mềm WinCC, thiết kế đầy đủ chi tiết Do kiến thức có hạn tính thực tế cịn nên việc thiết kế gặp khơng khó khăn nên phương án đồ án chưa hoàn toàn tối ưu 45 ... PHỎNG 4.1.Kết mô 4.2 Nhận xét: Sau thực xong đề tài ? ?Thiết kế giao diện cho mơ hình đo lường độ Ơxy hịa tan (DO) sử dụng phần mềm TIA- Portal điều khiển PLC S7- 300 (Sử dụng khối hàm FC)? ?? nhóm... thủy vực Vì với đề tài chúng em xin đưa mơ hình điều khiển giám sát mức độ DO nước tan sử dụng phần mềm TIA- Portal điều khiển PLC S7- 1200 (Sử dụng khối hàm FC) giúp sinh vật phát triển Nhóm 11_ĐK-TĐH2_K10... thức định độ oxy hòa tan, sử dụng phần mềm TIA- Portal Chúng em thiết kế mơ hình cho đề tài phần mềm WinCC, thiết kế đầy đủ chi tiết Do kiến thức có hạn tính thực tế cịn nên việc thiết kế gặp khơng