Điều khiển lò điện trở dùng PLC S71200

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung lò điện trở 1.1.1 Tổng quan 1.1.2 Nguyên lý làm việc lò điện trở 1.1.3 Cấu tạo lò điện trở 1.2 Tổng quan hệ thống lò điện trở 1.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN TIA PORTAL 2.1 Giới thiệu tia portal .8 2.1.1 Giao diện Tia Portal V15 2.1.2 Tạo Project cấu hình phần cứng cho PLC .8 2.1.3 Cấu hình cho PC system kết nối với PLC 10 2.1.4 Lập trình xử lý tín hiệu tương tự Tia Portal 11 2.2 Chương trình điều khiển PLC S7-1200 17 2.3 Chương trình mơ WinCC RT Professional 22 2.3.1 Thiết kế giao diện WinCC .22 2.3.2 Mơ tả quy trình điều khiển giám sát hình Wincc Runtime 23 CHƯƠNG LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI 28 3.1 Lựa chọn cảm biến nhiệt độ 28 3.2 MCCB 29 3.3 Contactor 29 3.4 Bộ chuyển đổi tín hiệu PR4114 30 3.5 Chọn PLC S7-1200 1212C DC/DC/DC 31 3.5.1 Module xử lý trung tâm CPU 31 3.5.2 Module tín hiệu SM 32 3.5.3 Module nguồn cung cấp Power module 33 3.6 Sơ đồ đấu nối hệ thống 34 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO .37 LỜI MỞ ĐẦU Như biết Việt Nam q trình cơng nghiệp hóa đại hóa Vì tự động hóa đóng vai trị quan trọng, tự động hóa giúp tăng suất, tăng độ xác tăng hiệu q trình sản xuất Để thực tự động hóa sản xuất, bên cạnh thiết bị máy móc khí hay điện, dây chuyền sản xuất…, cần có điều khiển để điều khiển chúng thiết bị đại đưa vào dây chuyền sản xuất tự động, không kể đến biến tần PLC PLC thiết bị điều khiển đa ứng dụng rộng dãi công nghiệp để điều khiển hệ thống theo chương trình viết người sử dụng Nhờ hoạt động theo chương trình nên PLC ứng dụng để điều khiển nhiều thiết bị máy móc khác Nếu muốc thay đổi quy uật hoạt động máy móc thiết bị hay hệ thống ta cần thay đổi chương trình điều khiển Các đối tượng mà PLC điều chỉnh đa dụng, từ máy bơm, máy cắt, máy khoan, lò nhiệt, … đến hệ thống phức tạp như: băng tải, hệ thống chuyển mạch tự động(ATS), thang máy, dây chuyền sản xuất, vv Xuất phát từ thực tế đó, q trình học tập mơn học Điều khiển lập trình PLC trường Đại học Điện Lực nhóm chúng em thống làm tập dài với đề tài: “Điều khiển lò điện trờ PLC S7-1200” Hà Nội, ngày 30 tháng 05 năm 2020 Sinh Viên CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung lò điện trở 1.1.1 Tổng quan Lò điện thiết bị điện biến điện thành nhiệt dùng q trình cơng nghệ khác nung nấu luyện vật liệu , kim loại hợp kim khác vv - Lò điện sử dụng rộng rãi lĩnh vực kỹ thuật : + Sản xuất thép chất lượng cao + Sản xuất hợp kimphe – rô + Nhiệt luyện hoá nhiệt luyện + Nung vật phẩm trước cán , rèn dập , kéo sợi + Sản xuất đúc kim loại bột - Trong lĩnh vực công nghiệp khác : + Trong công nghiệp nhẹ thực phẩm , lò điện dùng để sấy , mạ vật phẩm chuẩn bị thực phẩm + Trong lĩnh vực khác , lò điện dùng để sản xuất vật phẩm thuỷ tinh , gốm sứ , loại vật liệu chịu lửa y.v Lị điện khơng có mặt ngành công nghiệp mà ngày dùng phổ biến đời sống sinh hoạt hàng ngày người cách phong phú đa dạng: bếp điện, nồi điện, bình nước nước, máy sấy tóc,v.v… 1.1.2 Ngun lý làm việc lò điện trở Lò điện trở làm việc dựa sở có dịng điện chạy qua dây dẫn vật dẫn tỏa lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ: Q  I RT Nhiệt lượng tính Jun (J) I: Dịng điện tính Ampe (A) R: Điện trở tính Ơm (Ω) T: Thời gian tính giây (s) Từ cơng thức ta thấy điện trở R đóng vai trị: - Vật nung: Trường hợp gọi nung trực tiếp - Dây nung: Khi dây nung nung nóng, truyền nhiệt cho vật nung xạ, đối lưu, dẫn nhiệt phức hợp Trường hợp gọi nung gián tiếp Trường hợp thứ gặp dùng để nung vật có hình dạng đơn giản (tiết diện chữ nhật, vng trịn) Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều thực tế cơng nghiệp Cho nên nói đến lị điện trở khơng thể không đề cập đến vật liệu để làm dây nung, phận phát nhiệt lò 1.1.3 Cấu tạo lị điện trở Lị điện trở thơng thường gồm phần vỏ lị, lớp lót dây nung  Vỏ lò Vỏ lò điện trở khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng q trình làm việc lị Mặt khác vỏ lị dùng để giữ lớp cách nhiệt rời đảm bảo kín hồn tồn tương đối lị Đối với lị làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lị phải hồn tồn kín; cịn lị điện trở bình thường, kín vỏ lò cần giảm tổn thất nhiệt tránh lùa khơng khí lạnh vào lị, đặc biệt theo chiều cao lò Trong trường hợp riêng, lò điện trở làm vỏ lị khơng bọc kín Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu tải trọng lớp lót, phụ tải lị (vật nung) cấu khí gắn vỏ lị  Lớp lót Lớp lót lị điện trở thường gồm phần: vật liệu chịu lửa cách nhiệt Phần vật liệu chịu lửa xây gạch tiêu chuẩn, gạch hình gạch hình đặc biệt tùy theo hình dáng kích thước cho buồng lị Cũng có người ta đầm loại bột chịu lửa chất kết dính gọi khối đầm Khối đầm tiến hành lị tiến hành ngồi nhờ khn Phần cách nhiệt thường nằm vỏ lò phần vật liệu chịu lửa Mục đích chủ yếu phần để giảm tổn thất nhiệt Riêng đáy, phần cách nhiệt địi hỏi phải có độ bền học định cịn phần khác nói chung khơng u cầu Phần cách nhiệt xây gạch cách nhiệt, điền đầy bột cách nhiệt  Dây nung Dây nung phận phát nhiệt lò, làm việc điều kiện khắc nghiệt, địi hỏi phải đảm bảo u cầu sau: - Chịu nóng tốt, bị oxi hóa nhiệt độ cao - Phải có độ bền học cao, không bị biến dạng nhiệt độ cao - Điện trở suất phải lớn - Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ - Các tính chất điện phải cố định thay đổi - Các kích thước phải không thay đổi sử dụng - Dễ gia công, dễ hàn dễ ép uốn Theo đặc tính vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung làm loại: dây nung kim loại dây nung phi kim loại Để đảm bảo yêu cầu dây nung, hầu hết lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại chế tao hợp kim CrômNhôm Crôm-Niken hợp kim có điện trở suất lớn Cịn kim loại nguyên chất dùng để chế tạo dây nung Dây nung kim loại thường chế tạo dạng tròn dạng băng Dây nung phi kim loại dùng phổ biến SiC, grafit than 1.2 Tổng quan hệ thống lị điện trở Hình 1.1: Lị điện trở mô Tia portal - Hệ thống gồm: + 03 dây điện trở cấp nhiệt cho lò điện trở + 03 contactor để đóng cắt dịng điện vào dây điện trở + Cảm biến nhiệt độ cặp nhiệt loại K báo nhiệt độ lò điện trở + 01 Plc S7-1200 1212 dc/dc/dc để điều khiển toàn hệ thống 1.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống Ở chế độ 1: Hệ thống điều khiển theo thời gian, khởi động hệ thống nút Start, dừng hệ thống nút Stop - Khi nhấn start: Contactor K1, K2, K3 đóng cấp dịng điện cho dây điện trở vịng Sau contactor K3 mở ra, ngắt dòng điện dây điện trở 3, lị trì cấp nhiệt dây dẫn điện trở contactor K1 K2 Sau 30 phút, contactor K2 mở, dây điện trở contactor k2 bị ngắt điện Sau contactor k1 mở, ngắt điện dây điện trở contactor K1, toàn lò điện trở dừng hoạt động - Khi nhấn stop: toàn hệ thống dừng hoạt động, tất contactor hoạt động mở Lưu đồ thuật toán chế độ 1: Hình 1.2: Lưu đồ thuật tốn hệ thống chế độ Giản đồ thời gian: Hình 1.3: Giản đồ thời giạn chế độ Ở chế độ 2: Hệ thống hoạt động theo cảm biến nhiệt độ: - Khi: 0℃ ≤ T ℃ < 300℃: Đóng contactor K1, K2, K3, đèn làm việc sáng - Khi: 300℃ ≤ T ℃ < 700℃: Đóng contactor K1, K2 Mở contactor K3, đèn làm việc sáng - Khi: 700 ℃ ≤ T ℃ < 1000℃ : Đóng contactor K1 Mở contactor K2, K3, đèn làm việc sáng - Khí: T > 1000℃: Đóng contactor K1, K2, K3, đèn báo nhiệt hoạt động Lưu đồ thuật tốn chế độ 2: Hình 1.4: Lưu đồ thuật tốn chế độ CHƯƠNG 2: MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN TIA PORTAL 2.1 Giới thiệu tia portal 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 2.1.1 Giao diện Tia Portal V15 Hình 2.1: Giao diện Tia Portal V15 2.1.2 Tạo Project cấu hình phần cứng cho PLC - Chọn Create new project - Điền tên project chọn đường dẫn lưu project máy tính - Sau chọn Create Hình 2.2: Tạo project Tạo devices & network + Chọn Add new devices + Chọn Controler để cấu hình cho PLC : Chọn CPU 1212C DC/DC/DC Hình 2.11: Giao diện mơ wincc Hệ thống gồm có: - MODE 1: Chế độ điều khiển theo thời gian - MODE 2: Chế độ điều khiển theo cảm biế nhiệt độ - START: khởi động kệ thống chạy theo chế độ thời gian - STOP: Dừng hệ thống theo chế độ thời giạn - TEMPERATURE: Mô nhiệt độ cảm biến nhiệt độ - CẢM BIẾN: Cảm biến nhiệt độ lò điện trở - ĐÈN BÁO NORMAL OVER HETING: đèn báo lị hoạt động bình thường đèn báo lò nhiệt - CONTACTOR K1, K2, K3: Điều khiển đóng cắt dịng điện 2.3.2 Mơ tả quy trình điều khiển giám sát hình Wincc Runtime Ban đầu hệ thống chế độ ngừng hoạt động Ta chọn chế độ cho hệ thống để hệ thống bắt đầu hoạt động Chọn chế độ MODE 1: Nhấn Start → Contactor K1, K2, K3 đóng lại cấp điện cho dây điện trở, đèn xanh normal sáng báo lị hoạt động 23 Sau contactor K3 mở, ngắt điện khỏi dây điện trở k3 Tiếp tục sau 30 phút contactor K2 mở, ngắt điện ta khỏi dây điện trở k2 24 Sau contactor K1 mở, Lị điện trở dừng hoạt động, đèn xanh normal tắt Khi nhấn Stop dù lị hoạt động tất contactor mở ra, lò dừng hoạt động, đèn xanh normal tắt 25 Chọn chế độ MODE 2: Hệ thống hoạt động theo cảm biến nhiệt độ Lò điện trở hoạt động bình thường dải nhiệt từ ℃ - 1000 ℃ đèn normal sáng Khi cảm biến báo: ℃ ≤ T ℃ < 300 ℃: Đóng contactor K1, K2, K3 Khi cảm biến báo: 300 ℃ ≤ T ℃ < 700 ℃: Đóng contactor K1, K2, Mở contactor K3 26 Khi cảm biến báo: 700 ℃ ≤ T ℃ < 1000 ℃: Đóng contactor K1 mở contactor K2, K3 Khi cảm biến báo: T ℃ > 1000 ℃ mở tất contacro K1, K2, K3 Đèn báo over heating sáng báo lò nhiệt 27 Khi nhiệt độ lò giảm xuống dải làm việc lò điện trở, Cảm biến báo nhiệt độ cho PLC lò lại tiếp tục hoạt động trở lại 28 CHƯƠNG LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI 3.1 Lựa chọn cảm biến nhiệt độ - Ta chọn cảm biến cặp nhiệt loại K ( Chromel – Alumel ) - Chromel dây dương, Alumel dây âm ( hợp kim bao gồm 95% niken, 2% mangan, 2% nhôm 1% silic ) - Là cặp nhiệt điện phổ biến với độ nhạy khoảng 41 μV/ºC - Phạm vi tiềm từ –200°C đến 1260°C tương đối tuyến tính - Từ tính Niken, kim loại từ tính khác, có độ lệch đầu vật liệu đạt tới điểm Curie, xảy mức 350°C (662 °F) cặp nhiệt điện loại K Hình 3.1: cảm biến nhiệt độ thermocouple can k loại sứ 3.2 MCCB - Mục đích: bảo vệ tải, ngắn mạch cho mạch động lực - Yêu cầu: + Điện áp: 380V + Dòng cắt đủ lớn + Số cực: cực + Chọn dòng định mức 1.3-1.5 Iđm - Giải pháp: Chọn MCCB hãng Mitsubishi model NF63-CW 29 - Thơng số MCCB: + Dịng điện định mức: 4A + Điện áp: 400V + Dòng cắt: 5KA + Số cực: 3P Hình 3.2: MCCB 3.3 Contactor - Mục đích: đóng cắt dịng điện vào dây điện trở thơng qua mạch điều khiển + Chọn dịng định mức 1.3-1.5 Iđm + Phù hợp với động biến tần + Điện áp cuộn hút: 220V - Giải pháp: Lựa chọn contactor hãng ABB model AF09-30-10-13 - Thơng số kĩ thuật : + Dịng định mức: 9Ap + Điện áp điều khiển: 100-250VAC/DC Hình 3.3: Contactor + Số cực: 3P + Số lần đóng cắt: Khoảng 10 triệu lần + Tiếp điểm: NO 3.4 Bộ chuyển đổi tín hiệu PR4114 Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang – 10v nhận tín hiệu ngõ vào từ Pt100, can nhiệt loại k, can nhiệt loại r,… Tín hiệu ngõ – 10v dùng cho máy móc thiết bị - PLC nhận tín hiệu 0-10v Đặc điểm chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ PR4114: - Nguồn cấp loại đa 220V 24V - Tín hiệu ngõ vào cảm biến nhiệt độ: Pt100…Pt1000, can nhiệt K, can nhiệt loại R., can nhiệt loại S, can nhiệt loại B… - Tín hiệu ngõ ra: 0- 10v, 4-20mA,0-20mA, 0-5v,… 30 - Chức chống nhiễu – cách ly tín hiệu 2.3 KVAC - Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang 0-10v PR4114 có hình hiển thị PR4511 cài đặt tín hiệu ngõ vào – tín hiệu ngõ - Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang 0-10V gắn tủ điện bù nhiệt - Thời gian đáp ứng đầu vào đầu ta < 400ms Hình 3.4: Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang 0-10V PR4114 3.5 Chọn PLC S7-1200 1212C DC/DC/DC Bộ điều khiển PLC S7-1200, sử dụng với linh động khả mở rộng phù hợp hệ thống tự động hóa nhỏ vừa tương ứng với người dùng cần.Thiết kế nhỏ gọn, cấu hình linh động, hỗ trợ mạnh mẽ tập lệnh làm cho PLC S7-1200 trở thành giải pháp hoàn hảo việc điều khiển, chọn lựa phù hợp nhiều ứng dụng khác 3.5.1 Module xử lý trung tâm CPU Module xử lý trung tâm CPU chứa vi xử lý, hệ điều hành, nhớ, định thì, đếm, cổng truyền thơng Profinet … module lưu trữ chương trình người dùng nhớ Ngồi ra, module CPU tích hợp vài cổng vào/ra số, analog tùy thuộc vào mã hang (order number) CPU S7-120 hỗ trợ protocol TCP/IP, ISO-onTCP, S7 communication Đồng thời, CPU tích hợp tập lệnh hỗ trợ cho truyền thông như: USS, Modbus RTU, S7 communication „T-Send/T-Receive‟ hay Freeport … Cổng Profinet tích hợp cho phép CPU kết nối với HMI, máy tính lập trình, hay PLC S7 thồng qua Profinet 31 Hình 3.5: Module CPU 1212C 3.5.2 Module tín hiệu SM Module AI: module đọc analog với loại tín hiệu khác dòng - 20 mA (theo cách đấu dây dây), đọc tín hiệu điện áp - 10 VDC, đọc tín hiệu RTD, TC … Module AI/AO: module đọc/xuất analog Module AO: module xuất tín hiệu analog Module DI: module đọc tín hiệu digital Module DI/DO: module đọc/xuất tín hiệu digital 32 Hình 3.6: Module SM 1231 AI 3.5.3 Module nguồn cung cấp Power module Module nguồn Power module cung cấp nguồn hoạt động cho module phần cứng kết nối với CPU Tên viết tắt module nguồn S7 – 1200 PM 1207 Module nguồn PM 1207 yêu cầu áp cung cấp đầu vào 120/230 VAC ngõ 24 VDC / 2,5 A thiết lập riêng dành cho S7 – 1200 khơng cần cấu hình phần cứng Hình 3.7: Module nguồn PM 1207 33 3.6 Sơ đồ đấu nối hệ thống Hình 3.7: Sơ đồ mạch lực 34 Hình 3.8: Sơ đồ mạch điều khiển 35 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN Ngành sản xuất thiết bị tự động hóa có vai trị vơ quan trọng việc phát triển đất nước.Ngành địi hỏi người có tính sáng tạo, từ cho đời nhiều sản phẩm đại phục vụ cho nhu cầu sản xuất nhà máy Qua đề tài “ Thiế kế hệ thống lò điện trở” cho em hiểu nguyên lý , cấu trúc điều khiển hệ thống lò điện trở Xây dựng lưu đồ thuật toán để lập trình Lập trình PLC S7-1200 ngơn ngữ LAD Xây dựng mơ hình điều khiển giám sát Win cc Qua em áp dụng cho trường hợp khác nhua đáp ứng nhu cầu cần thiết xa hội Từ kiến thức có em tiếp tục học tập nghiên cứu để lập trình nâng cao PLC S7-1200 Tìm hiểu cách tạo chuyển động win cc Tiếp tục tìm hiểu thêm thiết bị thực tế hệ thống Nâng cao kiến thức phát triển đề tài lên làm Đồ án Tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn cô: Phạm Thị Hương Sen hướng dẫn em để em hiểu sâu học hồn thiện tốt tập dài Trong q trình làm dù cố gắng xong khó tránh khỏi sai sót mong thầy tham khảo góp ý kiến cho em Em xin trân thành cảm ơn! 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách “Tự động hóa PLC S7-1200 với Tia Portal” - Trần Văn Hiếu s71200_system_manual_en-US_en-US https://thietbikythuat.com.vn/bo-chuyen-doi-tin-hieu-nhiet-sang-0-10v/ 37 ... nhiệt lò 1.1.3 Cấu tạo lị điện trở Lị điện trở thơng thường gồm phần vỏ lị, lớp lót dây nung  Vỏ lò Vỏ lò điện trở khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng q trình làm việc lị Mặt khác vỏ lò dùng. .. dịng điện dây điện trở 3, lị trì cấp nhiệt dây dẫn điện trở contactor K1 K2 Sau 30 phút, contactor K2 mở, dây điện trở contactor k2 bị ngắt điện Sau contactor k1 mở, ngắt điện dây điện trở contactor... hệ thống lò điện trở? ?? cho em hiểu nguyên lý , cấu trúc điều khiển hệ thống lò điện trở Xây dựng lưu đồ thuật tốn để lập trình Lập trình PLC S7-1200 ngơn ngữ LAD Xây dựng mơ hình điều khiển giám