MỤC LỤCLỜI NÓI ĐẦU 2CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG.I.Bộ vi xử lý trung tâm PLC S71200. 31.1.Tổng quan về PLC S71200. 31.2.Cấu tạo của PLC S71200. 41.3.Nguyên lý hoạt động. 5II.Cảm biến nhiệt độ.2.1: Cặp nhiệt điện Thermocouple 62.2: RTD (Thermal Resistor) 82.3: Thermitor(thermally sensitive resistor) 92.4: IC cảm biến112.5: Phương pháp điều khiển nhiệt độ12CHƯƠNG II: LẬP TRÌNH PLC S71200 VÀ MÔ PHỎNG WINCC.1.LẬP TRÌNH PLC S71200142.MÔ PHỎNG TRÊN WINCC18
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG I II Bộ vi xử lý trung tâm PLC S7-1200 I.1 Tổng quan PLC S7-1200 I.2 Cấu tạo PLC S7-1200 I.3 Nguyên lý hoạt động Cảm biến nhiệt độ 3 2.1: Cặp nhiệt điện Thermocouple 2.2: RTD (Thermal Resistor) 2.3: Thermitor(thermally sensitive resistor) 2.4: IC cảm biến 11 2.5: Phương pháp điều khiển nhiệt độ 12 CHƯƠNG II: LẬP TRÌNH PLC S7-1200 VÀ MƠ PHỎNG WINCC LẬP TRÌNH PLC S7-1200 MƠ PHỎNG TRÊN WINCC 14 18 Lời nói đầu Thuật ngữ PLC trở nên quen thuộc với người chuyên ngành điện, hệ thống điều khiển, vận hành, …Nó điều khiển chuyên dụng thiết kế cho ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao, dễ lập trình chẩn đốn lỗi phức tạp PLC ngày đa dạng chủng loại, công dụng giúp cho người dùng dễ dàng sử dụng chọn lựa, xem lựa chọn tốt cho hệ thống điều khiển nhỏ, gọn, tiết kiệm chi phí cho người dùng Hơn nữa, tất lĩnh vực không riêng công nghiệp, cơng ty, nhà máy, xí nghiệp…mà hộ gia đình thiết bị điều dùng tới điện, cần phải có hệ thống điện đảm bảo an toàn cho người dùng thiết bị đóng cắt bảo vệ tủ điện hay bảng điện lựa chọn cho người sử dụng Nó nơi đấu nối, phân phối điện, đảm bảo cách ly thiết bị mạng điện với người sử dụng điện trình vận hành bảo trì điện Và xuất phát từ phát triển nhóm em nghiên cứu chọn đề tài:“ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT ĐỘ ” Đề tài giúp chúng em hiểu rõ PLC, ứng dụng PLC tầm quan trọng nó, cách điều khiển – lập trình, cách thức hoạt động lị điều khiển nhiệt độ Chương I: Giới thiệu phần cứng I/ Bộ vi xử lý trung tâm PLC S7-1200 1.1: Tổng quan PLC7-1200 PLC viết tắt Programmable Logic Controller thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực linh hoạt thực toán điều khiển logic thong qua ngơn ngữ lập trình người sử dụng lập trình để thực mơt loạt trình tự kiện Các kiện kích hoạt tác nhân kích thích tác động vào plc qua hoạt động có trễ thời gian định kì hay thời gian đếm Một kiện kích hoạt thật sự, bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên gọi thiết bị vật lý Một điều khiển lập trình liên tục lặp chương trình người sử dụng lập chờ tín hiệu ngõ vào xuất tín hiệu ngõ thời điểm lập trình Để khắc phục nhược điểm điều khiển dung dây nối, người ta chế tao điều khiển plc nhẳm thoả mãn yêu cẩu sau: + Lập trình dễ dàng, ngơn ngữ lập trình dễ học + Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa + Dung lượng nhớ lớn để chứa chương trình phức tạp + Hồn tồn tin cậy mơi trường cơng nghiệp + Giao tiếp với thiết bị thông minh khác máy tính, nối mạng, module mở rộng Các thiết kế nhằm thay cho phần cứng Relay dây nối logic thời gian Tuy nhiên bên canh việc địi hỏi tăng cường dung lượng nhớ tính dễ dàng cho PLC mà đảm bảo tốc độ xử lí giá cả… Chính điều tạo quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC công nghiệp, tập lệnh nhanh chống từ lệnh logic đơn giản đến lệnh đếm, định thời, ghi dịch…Sự phát triển máy tính dẫn đến PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều Trong PLC phần cứng CPU chương trình đơn vị cho trình điều khiển sử lí hệ thống, chức mà điều khiển cần thực xác định chương trình Chương trình nạp sẵn vào nhớ PLC, PLC thực việc điều khiển dựa vào chương trình Như muốn thay đổi hay mở rộng chức cửa quy trình cơng nghệ Ta cần thay đổi chương trình bên nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức thực cách dễ dàng mà không cần can thiệp vật lý so với dây nối hay Replay 1.2: Cấu tạo PLC S7-1200 Các thành phần PLC S7 -1200 bao gồm: – điều khiển nhỏ gọn với phân loại phiên khác giống điều khiển AC, RELAY DC phạm vi rộng – mạch tương tự số mở rộng ngõ vào/ra trực tiếp CPU làm giảm chi phí sản phẩm – 13 module tín hiệu số tương tự khác bao gồm (module SM SB) – module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP – Bổ sung cổng Ethernet – Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC điện áp 24 VDC Các module CPU khác có hình dạng, chức , tốc độ xử lý lệnh, nhớ chương trình khác nhau,… - Cấu trúc: Tất PLC có thành phần nhớ chương trình RAM bên trong, vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC, module I/O Bên cạnh đó, số PLC hồn chỉnh cịn kèm theo đơn vị lập trình tay hay máy tính Hầu hết đơn vị lập trình đơn giản có đủ RAM để chứa đựng chương trinh dạng hồn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lập trình đơn vị sách tay, RAM thường loại CMOS có pin dự phịng, chương trình kiểm tra sẵn sang sử dụng truyền sang nhớ PLC Đối với PLC lớn thường lập trình máy tính nhằm hỗ trợ cho viết, đọc kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, 1.3: Nguyên lý hoạt động CPU điều khiển hoạt động bên PLC Bộ xử lý đọc kiểm tra chương trình chứa nhớ, sau thực lệnh chương trình, đóng hay ngắt đầu Các trạng thái ngõ phát tới thiết bị liên kết để thực thi toàn hoat động thực thi phụ thuộc vào chương trình điều khiển giữ nhớ Hệ thống bus tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song: + Address bus:bus địa dùng để truyền địa tới module khác + Data bus:bus dùng để truyền liệu + Control bus:bus điều khiển dung để truyen tín hiệu định điều khiển đồng hoạt động PLC Hệ thống Bus làm nhiệm vụ trao đổi thông tin CPU, nhớ I/O Bên cạnh CPU cung cấp xung clock có tần số từ 1, Mhz Xung định tốc độ hoạt động PLC cung cấp yếu tố định thời, đồng hồ hệ thống II/ Cảm biến nhiệt độ 2.1: Cặp nhiệt điện Thermocouple 2.1.1 : Cấu tạo nguyên lý đo Gồm dây kim loại khác hàn lại đầu gọi đầu nối nóng, hai đầu cịn lại gọi đầu nối lạnh (đầu nối chuẩn) Theo hiệu ứng Seebeck, có chênh lệch nhiệt độ đầu nóng hay đầu lạnh phát sinh suất điện động hai đầu lạnh, hai đầu lạnh đặt nhiệt độ To: V= a+b ∆T+c ∆T ∆T = T – To Trong đó: T nhiệt đo To nhiệt độ đầu lạnh Từ công thức ta thấy quan hệ V ∆ T phi tuyến Nhưng sử dụng tầm đo hẹp tuyến tính hố đặc tính cặp nhiệt điện theo biểu thức: V = k ∆.T Với k hệ số nhiệt đơn vị μV/0C 2.1.2 : Một số loại cặp nhiệt thông dụng Cặp nhiệt Vật liệu cấu tạo Hệ số nhiệt k (µV/oC) Loại J Sắt-Constantan 52.3 Loại K Chromel-Alumel 40.0 Loại S Platinum-Rhodium 6.4 Loại T Đồng-Constantan 42.8 Bảng 2.1: Phân loại cặp nhiệt điện Nếu dây cặp nhiệt không dài ta phải sử dụng dây đồng để nối đến dụng cụ đo số dụng cụ đo hiệu số nhiệt độ đo T nhiệt độ chỗ nối To, nhiệt độ To thường không ổn định Để khắc phục ta nên dùng dây nối dài loại với vật liệu cặp nhiệt để bù trừ nhiệt độ To, lúc ta có: V= k( To – T1 ) Với nhiệt độ T1 : nhiệt độ môi trường đặt dụng cụ đo T1 ổn định đo Điện áp từ cặp nhiệt điện nhỏ ta phải khuếch đại lên nhiều lần để đo điện áp ngồi cần có thiết bị đo nhiệt độ đầu lạnh để bù trừ 2.1.3 : Ưu nhược điểm thermocouple - Ưu điểm : + Là thành phần tích cực, tự cung cấp cơng suất + Đơn giản, dễ sử dụng, giá thành thấp + Tầm đo nhiệt rộng + Bền, đo nhiệt độ cao -Nhược điểm : + Độ tuyến tính + Bị ảnh hưởng nhiều từ tác động môi trường nên sai số lớn + Kém nhạy + Kém ổn định + Đòi hỏi điện áp tham chiếu 2.1.4 : Bù nhiệt độ mơi trường Khi dùng thermocouple giá trị hiệu điện thu bị ảnh hưởng loại nhiệt độ: nhiệt độ cần đo nhiệt độ tham chiếu Cách gán 0oC cho nhiệt độ tham chiếu thường làm phịng thí nghiệm để rút giá trị thermocouple Trong thực tế nhiệt độ tham chiếu thường nhiệt độ môi trường nơi mạch hoạt động nên khơng thể biết xác nhiệt độ vấn đề bù trừ nhiệt độ đặt để ta thu hiệu điện cách xác (chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ cần đo) Bù nhiệt mơi trường ta phải có thành phần cho phép xác định nhiệt độ môi trường từ tạo giá trị để bù lại giá trị tạo thermocouple bù nhiệt cách ước lượng nhiệt độ môi trường đọc giá trị hiệu điện trừ giá trị mà ta ước lượng vì: + Nhiệt độ môi trường thay đổi cách thường xuyên, không xác định trước + Ở nơi khác nhiệt độ môi trường khác 2.2: RTD (Thermal Resistor) Hình 2.2: Cấu tạo RTD Cấu tạo RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng đầu đo Khi nhiệt độ thay đổi điện trở hai đầu dây kim loại thay đổi, tùy chất liệu kim loại có độ tuyến tính khoảng nhiệt độ định Phổ biến RTD loại cảm biến Pt, làm từ Platinum Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo rộng Thường có loại: Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000 Điện trở cao độ nhạy nhiệt cao RTD thường có loại dây, dây dây Nguyên lý làm việc nhiệt kế (RTD) dựa vào thay đổi điện trở theo nhiệt độ vật liệu dẫn điện Lợi dụng tính chất người ta xác định thông số nhiệt độ thông qua giá trị điện trở đo được.Thường dùng cho ứng dụng như: Lị nhiệt, mơi trường khắt nghiệt, đo nhiệt độ nhớt máy nén,… Trong trường hợp tổng quát, giá trị điện trở phụ thuộc nhiệt độ sau: R (T ) = RoF(T-To) R(T)= Ro(1 +αT) Trong đó: α =0.00391 R0 điện trở đo nhiệt độ T F hàm đặt trưng vật liệu - Ưu điểm: + Ổn định + Chính xác + Độ tuyến tính cao + Ít bị ảnh hưởng tác nhân mơi trường - Nhược điểm: + Giá thành cao + Cần phải cung cấp nguồn dòng + Lượng thay đổi ∆R + Tự gia tăng nhiệt 2.3: Thermitor(thermally sensitive resistor) Hình 2.3: Một số loại Thermitor Thermistor cấu tạo từ hổn hợp bột oxít kim loại: mangan, nickel, cobalt, … Các bột hòa trộn theo tỉ lệ khối lượng định sau nén chặt nung nhiệt độ cao Và mức độ dẫn điện hổn hợp thay đổi nhiệt độ thay đổi Có hai loại thermistor: loại hệ số nhiệt dương PTC - điện trở tăng nhiệt độ tăng loại hệ số nhiệt âm NTC - điện trở giảm nhiệt độ tăng Thường dùng loại NTC Thermistor tuyển tính khoảng nhiệt độ định 50-150 độ C Do người ta dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt Chỉ sử dụng mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt Và loại thường dùng làm chức bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử - Ưu điểm: + Ngõ có giá trị lớn + Đáp ứng nhanh + Bền + Rẻ tiền + Dễ chế tạo - Khuyết điểm: + Phi tuyến + Giới hạn tầm đo nhiệt + Dễ vỡ + Cần phải cung cấp nguồn dòng + Tự gia tăng nhiệt 2.4: IC cảm biến 10 Hình 2.4 : Cấu tạo cảm biến IC bán dẫn Cảm biến nhiệt Bán Dẫn loại cảm biến chế tạo từ chất bán dẫn Có loại Diode, Transistor, IC Nguyên lý hoạt động chúng dựa mức độ phân cực lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ mơi trường Ngày với phát triển ngành công nghệ bán dẫn cho đời nhiều loại cảm biến nhiệt với tích hợp nhiều ưu điểm: Độ xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,….Ta dễ dàng bắt gặp cảm biến loại dạng diode ( hình dáng tương tự Pt100), loại IC như: LM35, LM335, LM45 Nguyên lý chúng nhiệt độ thayđổi cho điện áp thay đổi Điện áp phân áp từ điện áp chuẩn có mạch.Thường dùng: Đo nhiệt độ khơng khí, dùng thiết bị đo, bảo vệ mạch điện tử - Ưu điểm: + Tuyến tính + Ngõ có giá trị cao + Rẻ tiền + Dễ chế tạo 11 + Độ nhạy cao, chống nhiễu tốt + Mạch xử lý đơn giản - Khuyết điểm: + Nhiệt độ đo 2000C +Dẫn bền, không chịu nhiệt độ cao + Cần cung cấp nguồn cho cảm biến + Loại cảm biến chịu đựng môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mịn, rung sốc va chạm mạnh 2.5: Phương pháp điều khiển nhiệt độ 2.5.1 Điều khiển ON-OFF Sơ đồ điều khiển: - Sơ đồ điều khiển lò nhiệt phương pháp ON-OFF thể qua hình dưới: Hình 2.5: Sơ đồ điều khiển lò nhiệt - Nguyên lý làm việc: Phương pháp điều khiển ON-OFF gọi phương pháp đóng ngắt hay dùng khâu relay có trễ: cấu chấp hành đóng nguồn để cung cấp lượng mức tối đa cho thiết bị tiêu thụ điện (lò nhiệt) nhiệt độ đặt w(k) lớn nhiệt độ đo y(k), ngược lại mạch điều khiển ngắt mạch không tiếp tục cung cấp điện cho lò nhiệt độ đặt w(k) nhỏ nhiệt độ đo y(k).Một vùng trễ đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt sơ đồ khối trên: nguồn đóng sai số e(k) > ∆ ngắt 12 e(k) < - ∆ Như vậy, nhiệt độ đo y(k) dao động quanh giá trị đặt w(k) 2∆ gọi vùng trễ rơ le Khâu rơle có trễ cịn gọi mạch so sánh Smith mạch điện tử ∆ giá trị thềm hay ngưỡng - Đặc tính phương pháp điều khiển ON-OFF cho hình dưới: Hình 2.6: Đặc tính điều khiển điều khiển ON – OFF - Điều khiển ON-OFF có ưu điểm là: + Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắn, hệ thống hoạt động với tải + Tính tốn thiết kế phức tạp cân chỉnh dễ dàng + Điều khiển ON-OFF tốt cho hệ thống điều khiển nhiệt độ tăng lên chậm sai phân G cân nhiệt ngõ ON ngõ OFF nhỏ Nhưng có nhược điểm sai số xác lập lớn hệ cân động quanh nhiệt độ đặt thay đổi theo tải Khuyết điểm hạn chế giảm vùng trễ cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử mạch cơng suất 13 CHƯƠNG II: LẬP TRÌNH PLC S7-1200 VÀ MƠ PHỎNG WINCC LẬP TRÌNH PLC S7-1200 Chương trình Main (OB1): 14 Hàm FC1: Khâu so sánh giá trị nhiệt độ nhiệt độ lớn 600 °C tắt hệ thống gia nhiệt, nhiệt độ nhỏ 400 °C bật hệ thống gia nhiệt 15 Hàm FC3: Giả lập tăng giảm nhiệt độ 16 17 MÔ PHỎNG TRÊN WINCC 18 ... 2.5: Phương pháp điều khiển nhiệt độ 2.5.1 Điều khiển ON-OFF Sơ đồ điều khiển: - Sơ đồ điều khiển lò nhiệt phương pháp ON-OFF thể qua hình dưới: Hình 2.5: Sơ đồ điều khiển lị nhiệt - Nguyên lý... nghiên cứu chọn đề tài:“ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT ĐỘ ” Đề tài giúp chúng em hiểu rõ PLC, ứng dụng PLC tầm quan trọng nó, cách điều khiển – lập trình, cách thức hoạt động lò điều khiển nhiệt độ Chương I:... ta nên dùng dây nối dài loại với vật liệu cặp nhiệt để bù trừ nhiệt độ To, lúc ta có: V= k( To – T1 ) Với nhiệt độ T1 : nhiệt độ môi trường đặt dụng cụ đo T1 ổn định đo Điện áp từ cặp nhiệt điện