Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát điện năng của nhà máy trên PLC s7 – 400

Lời mở đầu Nc ta ang cụng cuc cụng nghiệp hóa, đại hóa để bƣớc bắt kịp phát triển nƣớc khu vực nhƣ nƣớc giới mặt kinh tế, kỹ thuật xã hội Để đáp ứng đƣợc nhu cầu điện cung cấp cho nhà máy, xí nghiệp điều cấp bách, nhƣng lƣợng điện sản xuất chƣa đáp ứng đƣợc nhu cầu Do việc tiết kiệm điện cần thiết, để tiết kiêm điện ta cần hệ thống giám sát Xuất phát từ điều em thực để tài“Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát điện nhà máy PLC S7 – 400” Đồ án tập trung sâu vào nghiên cứu PLC S7 – 400, phần mềm hứu ích khơng cho giám sát điện mà cho điều khiển hệ thống nhà máy, xí nghiệp vv Ngồi đồ án tìm hiểu cách giám sát điện qua phần mềm WINCC, làm tăng giao tiếp ngƣời – máy giúp ngƣời điều khiển nắm bắt đƣợc thực trạng điện nhà máy để có biện pháp điều khiển Đồ án em gồm có chƣơng nhƣ sau: CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PLC S7 – 400 CHƢƠNG 2: CẤU TRÚC PHẦN MỀM PLC S7 - 400 CHƢƠNG 3: GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG SỬ DỤNG PLC S7-400 THÔNG QUA GIAO DIỆN WINCC Ch-¬ng TỔNG QUAN VỀ PLC S7 400 1.1 TỔNG QUÁT CHUNG VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC PLC Thiết bị điều khiển logic khả trình Programmable Logic Controller), viết tắt PLC hệ vi xử lý chuyên dụng để điều khiển tự động thiết bị điện q trình cơng nghiệp Trong hệ thống điều khiển, PLC khâu trung gian việc xử lý thông tin đƣa tín hiệu tới thiết bị chấp hành Ngày thiết bị điều khiển đƣợc thay hệ điều khiển rơle thông thƣờng, sử dụng bán dẫn điều khiển lập trình Ƣu điểm: - Giảm bớt trình ghép nối dây mà giảm đƣợc giá thành đầu tƣ - Giảm đƣợc diện tích lắp đặt, xảy hỏng hóc, làm việc tin cậy, tốc độ xử lý nhanh, khả chống nhiễu tốt, bảo trì bảo dƣỡng tốt cấu trúc ln theo kiểu mơdul Nhƣợc điểm : - Chƣa thích hợp cho q trình nhỏ có vài tín hiệu vào dung giá thành cao - Ngơn ngữ hệ đóng (ngơn ngữ hãng riêng) nên khó thay thế.Để có chức điều khiển nhƣ PLC đóng vai trị nhƣ máy tính tức phải có vi xử lý (CPU),hệ điều hành, nhớ cổng vào để giao tiếp với đối tƣọng khác Bên cạnh PLC cịn có khối với chức đặc biệt nhƣ đếm (counter), thời gian (timer) khối hàm chuyên dụng Bộ đệm Vào Cổng vào onboard Bus PLC Quản lý ghép nối Cổng ngắt đếm tốc độ cao Hình 1.1: Cấu trúc PLC 1.2 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-400 PLC S7-400 sản phẩm PLC mạnh, tố cao độ xứ lý cao, quản lý nhớ tốt, kết nối mạng cơng nghiệp ề tính S7-400 có nhiều tính so với S7-300 Đặc biệt tính truyền thông -Tốc độ xử lý: Tốc độ nhanh, tốc độ xử lý lệnh nhanh lên tới 0.1 tới 0.2µs, chu kỳ vịng qt nhỏ Tập lệnh mạnh hồn chỉnh đáp ứng nhiệm vụ phức tạp Có thẻ nhớ ( MMC- flash Eproom ) đế mở rộng nhớ backup liệu - Truyền thông: S7-400 sử dụng mạng truyền thông nhƣ sau INDUSTRIAL ERTHERNET cho cấp giám sát, PROFIBUS cho cấp trƣờng, AS-I cảm biến thiết bị chấp hành, MPI nối giũa thiết bị CPU, PG/PC, TD/TO Sử dụng loại hinh mạng điểm-điểm bus truyền thơng qua giao diện tích hợp bus trƣờng sử dụng CPU IM ( modul giao diện FM, CP ) - Giao diện MPI: MPI giao diện để tích hợp hệ thống PG/PC, HMI với hệ thống SIMATIC S7/C7/WinAC, nối tối đa tới 125 điểm MPI với tốc độ truyền tới 187.5Kbit/s.Thơng qua MPI mà ta truyền liệu điều khiển với nhau, có nghĩa CPU truy cập tới nhiều đầu vào khác điều khiển khác Ngồi HM cịn đƣợc tích hợp hệ điều hành S7-400 truyền liệu tới tram vận hành mà khơng cần lập trình giúp điều khiển vận hành giao diện - Giao diện PROFIBUS – DP: S7-400 nối vào bus trƣờng PROFIBUS dễ dàng tạo chƣơng trình phân tán giúp truyền thông với thiết bị trƣờng Các modul vao phân tán đƣợc thiết lập STEP7 tƣơng tự nhƣ modul vào tập chung, S7-400 đƣợc sử dụng làm trạm master hay slave - Tính chia sẻ: Có thể điều khiển giám sát lập trình thơng qua giao diện (MPI PD ) ví dụ nhƣ cho thiết bị PG lập trình vận hành cho nhiều CPU nhiều thiết bị PG truy cập CPU - Giao diện phụ: Ngồi giao diện MPI,DP, S7-400 cịn có them số cổng serial(PtP-Point to Point), nối máy quét Đây giao diện RS422/RS485 co phép tốc độ truyền 38.4Kbit/s Một số CPU có cấu trúc đầu vào đặc biệt để đếm đo lƣờng máy phát xung, có chức tích hợp để điều khiển vị trí với đầu vào đặc biệt 1.2.1 Cấu trúc phần cứng PLC S7-400 Thông thƣờng để tăng tính mềm dẻo thực tế mà phần lớn đối tƣợng điều khiển có số tín hiệu vào nhƣ chủng loại tín hiệu vào khác mà điều khiển PLC không bị cứng hố cấu hình Chúng đƣợc chia nhỏ thành mơdul Số modul sử dụng nhiều hay tuỳ thuộc vào công nghệ, song có modul modul CPU , modul cịn lại modul truyền nhận tín hiệu đối tƣợng điều khiển, modul chức chuyên dụng nhƣ PID, điều khiển động Chúng đƣợc gọi modul mở rộng đƣợc bố trí giá đỡ gọi Rack Bất kì trạm PLC có thành phần sau: 1- Các RACK 2- Môdul nguồn cấp 3- Trung tâm vi xử lý CPU 4- Các môdul mở rộng vào 5- Các modul truyền thơng Ngồi cịn có cơng tắc chọn chế độ làm việc đền báo hiệu LED dung để báo trạng thái hành PLC 1.2.1.1.Các RACK (giá đỡ) Đó khung khí SIMATIC S7-400 dùng để bảo vệ modul, cung cấp điện áp nguồn kết nối modul qua bus nội a Giá lắp trung tâm + Dùng cho điều khiển trung tâm + Dùng cho cơng việc tự động hố phân tán qua hỗ trợ modul + Dùng để tạo hệ thống S7-400 H hoàn chỉnh giá đỡ đơn + Thích hợp cho S7-400: vận hành 2CPU rieng biệt với CPU đầu vào riêng CPU + Cũng co thể dung nhƣ giá mở rộng + Dùng cho tối đa 18 modul Giá lắp S7-400 ray nhơm chuẩn DIN có chiều dài cố định với bus giắc nối phía sau đƣợc làm giá lắp trung tâm (CR) giá lắp mở rộng (ER) kêt hợp hai (UR , giá lắp vạn năng) Giá lắp trung tâm S7-400 cá 18 19 vị trí mơdul (UR1 UR2) với chiều rộng định Nguồn cung cấp CPU cững đƣợc cắm khe cắm dùng tới vị trí cho mơdul Thơng thƣờng modul nguồn đƣợc lắp vào tận bên trái giá lắp, CPU modul vào Có thể lựa chọn vị trí theo u cầu Các modul không cần thiết phai đƣợc cắm gần nhau, có khoảng cắm gữa Các modul giao tiếp dung để kết nối với giá lắp mở rộng đƣợc lắp chèn vào bên phải giá lắp Các vị trí modul đƣợc kết nối với bus phía sau đƣờng trục vào đấu song song đƣờng trục truyền liệu đầu nối tiếp Giá lắp phân đoạn cho phép sử dụng CPU nguồn cung cấp chung Các CPU trao đổi liệu qua đƣờng trục truyền liệu, nhƣng CPU lại sử dụng đƣờng BUS tín hiệu vào Phân đoạn bên trái cho 10 modul vào phân đoạn bên phải cho Giá lắp phân đoạn UR2-H gồm có hai phân đoạn, phân đoạn gồm có khe cắm Có thể dung giá lắp nhƣ giá lắp trung tâm giá lắp mở rộng cho trạm S7-400 tiêu chuẩn cá trạm cao cấp S7-400H Mỗi phân đoạn đòi hỏi nguồn cung cấp riêng, đƣờng trục truyền tín hiệu vào liệu riêng biệt UR1( giá chung ) + Dùng cho CPU thiết bị mở rộng + Dùng cho tối đa 18 môdul + Ngồi thích hợp với S7 400 UR2 ( giá chung ) Hinh 1.3 Cấu hình Rack + D ùng cho c ác CPU thiết bị mở rộng + Dùng tối đa cho môdul + Cũng thích hợp cho S7-400 CR2 ( giá trung tâm ) + Dùng cho CPU + Tối đa 18 modul + Các rack đƣợc phân chia:Dùng cho CPU S7-400 hoạt động rack độc lập chế độ nhiều máy tính S7-400, nhƣng có truyền thong CPU thong qua BUS nội Cả CPU định địa cục , mô dul vào đƣợc tách rời Nếu số lƣợng vị trí cho modul vào giá lắp trung tâm không đủ cân phải lắp đặt số modul lắp xa vị trí modul trung tâm, ta phai sử dụng vài giá lắp mở rộng kêt nối chúng vơi giá lắp trung tâm modul giao tiếp IM Có thể nối nhiều 21 giá lắp mở rộng vào giá lắp trung tâm Địa giá lắp đƣợc đặt phím modul Modul giao tiếp IM ln phải đƣợc lắp đặt cực phải giá nở rộng Các modul giao tiếp IM460-1và IM 461-1 cho phép lắp đặt giá lắp mở rộng , modul giá lắp, cách giá lắp trung tâm khoảng 1,5 m Nguồn cung cấp điện áp 5V Các modul giao tiếp IM 360-1 IM 3620 cho phép lắp tới giá lắp mở rộng, cách giá lắp trung tâm khoảng 3m Với khoảng cách xa hơn, tới 100m dung mơdul IM 360-3 IM 31-3, kết nối với giá lắp mở rộng Các giá lắp mở rộng ER1 ER2 tới 18 19 khe cắm , dung cho modul tín hiệu đơn giản khơng có xử lý báo động , khơng địi hỏi nguồn 24v chiều lẫn nguồn dự phịng khơng giao tiếp đƣờng trục truyền liệu Gía lắp UR2 UR1 cá hai đƣờng BUS đƣợc sử dụng nhƣ giá lắp trung tâm đƣợc mở rộng với số ký hiệu từ đến Quạt làm mát + Dùng cho SIMATIC S7-400 + Cần thiết sử dụng modul phát lƣợng nhiệt lớn Bộ quạt làm mát dung cho tất giá với điện áp nguồn 24VDC 120/230 VAC, có 10 lọc bụi cổng truyền thơng có số cổng vào số cịn đƣợc gọi cổng vào onboard.Trong trị số đếm đƣợc chứa nhớ ứng dụng, tuỳ theo yêu cầu ngƣời dùng mà chọn nhớ sau - Bộ nhớ ROM nhớ thay đổi đƣợc, nhớ nạp vào lần nên đƣợc sử dụng phổ biến nhƣ nhớ khác - Bộ nhớ RAM loại nhớ thay đổi đƣợc đƣợc dùng để chứa chƣơng trình ứng dụng nhƣ liệu, liệu bị mất điện Tuy nhiên điều đƣợc khắc phục đƣợc cách ta dùng Pin dự phòng Bộ nhớ EPROM nhƣ nhớ ROM, nguồn nuôi cho EPROM - không cần nguồn Pin, nhiên nội dung chứa đƣợc xố cách ta chiếu tia cực tím vào ô cửa sổ nhỏ EPROM nạp lại nội dung máy nạp chuyên dụng Bộ nhớ EEPROM nhớ tích hợp hai ƣu điểm nhớ ROM - EEPROM xố nạp tín hiệu điện.Tuy nhiên số lần nạp có giới hạn Cấu trúc CPU bao gồm thành phần sau: + Khối đèn LED hiển thị trạng thái trạng thái lỗi + Các công tắc chọn chế độ + Khe cắm thẻ nhớ mở rộng + Các cổng truyền thông(giao diện) + Khối nguồn pin dự phòng Phân loại CPU bao gồm loại sau: CPU 412-1,412-2,CPU 414-2,414-3,CPU 416-3,416-2,CPU 417-4,CPU 41X PN/DP … vv Tƣơng ứng với loai CPU ta có cấu trúc cụ thể sau: Cấu trúc CPU loại 41x-2 gồm có a)Khối đèn LED: bao gồm đèn INTF, EXTF, BUS1F, BUS2F,FRCE, MAINT, RUN, STOP b) Khe cắm thẻ nhớ mở rộng c) Cổng truyền thơng có cổng chính: - Cổng MPI/PROFIBUS Hình 1.6 Cấu hinh phần cứng CPU 417-4 CHNG giám sát IN NNG S DNG PLCS7 400THông QUA GIAO DIN WINCC 3.1 diễn giảI để xác định đầu vào giỏm sỏt cỏc thụng s in khu vực, trƣớc hết phải sử dụng thiết bị đo Mặt khác thiết bị trung tâm hệ thống giám sát sử dụng PLC S7_400 thông qua giao diện WinCC máy tính, để liên kết thiết bị đo với PLC ta cần có chuyển đổi chuẩn điện để phù hợp Cụ thể tín hiệu đo đƣợc đƣợc chuyển chuẩn phù hợp với module tƣơng tự PLC để có kết giám sát cụ thể Các tín hiệu giám sát cho khu vực bao gồm: Điện áp, dịng điện tải, tần số, cơng suất biểu kiến, công suất tiêu thụ, công suất phản kháng, hệ số công suất Nhƣng để giám sát đƣợc hết thông số không thiết phải quan sát đƣợc hết tất thông số mà cần đo đƣợc thông số sau: Điện áp, dịng điện tải, hệ số cơng suất (hay cơng suất tiêu thụ), tần số Từ xác định thơng số cịn lại cách dễ dàng thơng qua cỏc bc tớnh toỏn 3.2 để lập tr×nh Cấu hình phần cứng bao gồm module AI: AI 16x13bit, AI 8x13bit Chuyển hết tín hiệu đo đƣợc dạng điện áp từ đến 10 VDC, tƣơng ứng với giá trị đọc đƣợc ( đến 27648( integer)) Để đo đƣợc thông số cần đo ta cần xác định sơ giới hạn đo thiết bị nhƣ giới hạn thông số cần đo Xác định giới hạn điện áp từ đến 500 VAC( tƣơng ứng từ đến 10 V đầu vào module, AI), dòng điện tải xác định theo giá trị lớn tải từ đến 1000 A(tƣơng ứng từ đến 10 V đầu vào module AI) Từ tính đƣợc hệ 73 số truyền đạt thông số: Điện áp 50(lần), hệ số truyền đạt dịng 100(lần) để tính giá trị thực thông số Tần số đo dải tần từ đến 100 Hz (cũng tƣơng ứng với từ đến 10 VDC đầu vào module AI), hệ số công suất từ đến ( tƣơng ứng với đến 10 VDC đầu vào module AI) Xác định thơng số cịn lại thơng qua phép tính S = U*I, P = S*cos, Q = S*sin 3.3 lập trình step7 Khai bỏo mở Project Từ hình Step ta chọn file => New đƣợc biểu tƣợng nhƣ hình … Hình3.1: tạo Projetct Xây dựng cấu trúc phần cứng cho trạm PLC Ta khai báo phần cứng cách vào: Insert=> Station=> Simatic 400 Station Sauk hi khai báo trạm (chèn station), thƣ mục Project chuyển sang dạng khơng rỗng với mục có tên mặc định nhƣ Stimatic 400(1) chứa tệp thơng tin cấu hình 74 Hình 3.2: Thư mục rỗng hardware Khai báo phần cứng Nháy chuột vào biểu tƣợng Hardware Trong hộp thọa ị khai báo ray (rack) module có rack Hình 3.3 : Khai báo phần cứng 75 Soạn thỏa chƣơng trình cho khối logic Sau xong cấu hình phần cứng cho trạm PLC quay trở cửa sổ Step ta thấy thƣ mục Simatic 400(1) có thêm thƣ mục CPU412, S7 Program(1), Source files, Blocks ta thay đổi tên Hình 3.4 :Soạn thảo chương trình cho khối logic Soạn thảo cho chƣ mục FC1Tạo khối: từ thƣ mục block Step chọn Insert => s7 Block => Function công cụ Trên hình hộp thoại hỏi tên khối FC muốn khởi tạo Viết FC1 ấn phím OK Trong thƣ mục Block lúc có khối FC1 Hình3.4 : Tạo khối FC1 76 Xây dựng local block: cửa sổ hình soạn thảo ta xây dụng loal block cho khối FC với cấu trúc nhƣ sau: Hình 3.5 :Thơng số đầu vào khối FC Soạn thảo cho khối FC 77 78 Để rút gọn chƣơng trình ta sử dụng hàm FC1 để chuyển đổi tính tốn tham số cách tổng quát Sau khu vực ta cần đƣa tham số đầu vào cho hàm chuyển đổi tính tốn ta thu đƣợc giá trị đầu lƣu vào miền nhớ M Sau liên kết với giao diện WinCC máy tính để giám sát thông số 79 Hàm FC1(Chi tiết xem chƣơng trình) Cách xây dựng hàm con: Khai báo biến đầu vào Khai báo biến đầu Chƣơng trình hàm đƣợc viết dựa lập trình trình bày Các hàm sử dụng hàm bao gồm: MOVE – Chuyển liệu từ vùng nhớ này(hay đệm tƣơng tự) sang vùng nhớ khác, hàm I_DI – Chuyển từ kiểu liệu 16 bit(W) sang kiểu liệu 32 bit(DW), hàm DI_R – Chuyển kiểu liệu DW sang số thực 32 bit để tính tốn(Đảm bảo độ xác thơng qua dấu phẩy số thức, hàm tính tốn với số thực SUB_R, ADD_R , MUL_R, DIV_R Xây dựng giao diện giám sát WinCC: Đây công việc cuối cùng, quan thiết lập tag liên kết cho xác đƣợc Đây việc xây dựng hệ giám sát nhiều thông số Kết chạy mô phng: Thụng s mụ phng: 80 3.4 Kết giám sát wincc Giao din chớnh: Khu vc 1: 81 Khu vực 2: 82 Khu vực 3: Khu vực 4: 83 Khu vực 5: Khu vực 6: 84 KẾT LUẬN Sau 12 tuần sâu nghiên cứu tìm tịi đồ án tốt nghiệp, dƣới phân công thầy cô Điện tự động khoa Điện – Điện tử, đƣợc bảo nhiệt tình thầy Ths Đặng Hồng Hải với cố gắng, nỗ lực thân em, đồ án tôt nghiệp hoàn chỉnh Đồ án đạt đƣợc kết nhƣ sau: - Nghiên cứu thành công phần mềm PLC S7 – 400 - Thiết kế thành công giao diện giám sát điện nhà máy WINCC với PLC S7 – 400 Tuy nhiên thời gian gấp rút nên đồ án không tránh khỏi hạn chế: Nghiên cứu phần mềm cịn thiếu sót, nhiên thành cơng thân em Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày 11 tháng năm 2010 Sinh viên Tống Xuân Lộc 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO SIEMENS, SIMATIC, S7 - 400 and M7 – 400 Programmable controller hardware and Intallation Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà (2002), Tự động hóa với Simatic S7 – 300, NXB Khoa học Kỹ thuật Trần Thu Hà, Phạm Quang Huy (2008), Lập trình với S7 & WINCC giao diện ngi mỏy HMI 86 MC LC Lời mở đầu Ch-¬ng 1: TỔNG QUAN VỀ PLC S7 400 1.1 TỔNG QUÁT CHUNG VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC PLC 1.2 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-400 Ch-¬ng 2: CẤU TRóC PHẦN MỀM CỦA PLC S7-400 33 2.1 PHẦN CHIA BỘ NHỚ 33 2.2 Vòng quét ch-ơng trình 34 2.3 CẤU TRÚC CỦA CHƢƠNG TRÌNH 35 2.4.NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH 38 CHƢƠNG 3: giám sát IN NNG S DNG PLCS7 400- THông QUA GIAO DIỆN WINCC 73 3.1 diÔn giảI để xác định đầu vào 73 3.2 để lËp tr×nh 73 3.3 lập trình step7 74 3.4 Kết giám sát trªn wincc 81 KẾT LUẬN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 87 ... trúc PLC 1.2 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7- 400 PLC S7- 400 sản phẩm PLC mạnh, tố cao độ xứ lý cao, quản lý nhớ tốt, kết nối mạng công nghiệp ề tính S7- 400 có nhiều tính so với S7- 300 Đặc biệt tính truyền... để kết nối với thiết bị khác nhƣ: + Thiết bị chƣơng trình + Cơng cụ điều khiển thiết bị giám sát + số điều khiển S7- 400 S7- 300 khác Cổng truyền thông PROFIBUS DP : Chức dùng để kết nối với thiết. .. tạo hệ thống S7- 400 H hoàn chỉnh giá đỡ đơn + Thích hợp cho S7- 400: vận hành 2CPU rieng biệt với CPU đầu vào riêng CPU + Cũng co thể dung nhƣ giá mở rộng + Dùng cho tối đa 18 modul Giá lắp S7- 400