Cơ sở lý thuyết trong tự động hóa thực chất để cấu thành GDP theo quy trình công nghiệp hóa p4

§å ¸n tèt nghiƯp Ngun Träng Hïng - §iƯn 45A thành phần tử TĐH thông dụng đáp ứng tất ứng dụng thị trờng PLC đợc hy vọng tăng trởng với tỉ lệ 4,6% hàng năm năm năm tới cho dù giá thiết bị giảm 3.1.3 Ưu điểm việc sử dụng PLC tự động hoá [2] PLC (Programmable Logic Controller - điều khiển logic khả trình) phát triển ngày mạnh mẽ giá rẻ nhiều so víi tr−íc TiÕt kiƯm chi phÝ cïng lóc mang l¹i lợi ích cho nhà sản xuất ngời sử dụng, kết việc áp dụng xử lí có tính mạnh mẽ, thay đổi từ cấu trúc mạng độc quyền hớng tới hệ thống dựa TCP/IP với giao diện Web, ngôn ngữ lập trình đợc cổ vũ phong trào phần mềm nguồn mở Với khả lập trình đơn giản, với phát triển công nghệ máy tính Vì điều khiển logic khả trình PLC đạt đợc u việc điều khiển yêu cầu công nghệ Ưu điểm PLC xử lí phép tính Logic với tốc độ cao, thời gian vßng qt nhá (cì ms/vßng) rÊt nhanh so víi thêi gian vßng qt cđa mét hƯ DCS (Distributed Computer System) Ban đầu PLC quản lý đợc đầu vào/ra số Qua trình phát triển, ngày PLC đà đợc bổ sung thêm nhiều chức ắ Khả quản lý đầu vào/ra Analog: Tuy có khả quản lý đợc đầu vào/ra Analog nhng số lợng quản lý đợc hạn chế, thuật toán xử lý biến Analog kém, làm thời gian vòng quét tăng lên nhiều ắ Khả truyền thông: Nhiều PLC hỗ trợ giao thức truyền thông công nghiệp, chẳng hạn nh: PROFIBUS, AS - I, DeviceNet Các đặc điểm giúp cho PLC nối mạng với tạo thành mạng PLC kết nối với hệ thèng lín nh− DCS (Distributed Computer System), hc cịng cã thể kết nối với máy tính có phần mềm HMI tạo thành hệ PLC/HMI (Hypermedia Manufacturing Integrated) điều khiển giám sát thu thập số liệu ắ Chuẩn bị vào tác động nhanh: Thiết kế module cho phép thích nghi đơn giản với chức điều khiển Khi điều khiển phụ Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 28 - Khoa Cơ - Điện Đồ ¸n tèt nghiƯp Ngun Träng Hïng - §iƯn 45A kiƯn đà đợc lắp ghép PLC vào t sẵn sàng làm việc ắ Độ tin cậy cao ngày tăng: Các linh kiện điện tử bán dẫn có tuổi thọ dài so với thiết bị Độ tin cậy PLC ngày cao tuổi thọ ngày tăng đợc thiết kế tăng bền để chịu đợc rung động, nhiệt, ẩm tiếng ồn Việc bảo dỡng định kỳ thờng cần thiết điều khiển Rơle nhng với PLC điều đợc loại bỏ ắ Dễ dàng thay đổi chơng trình: Những thay đổi cần thiết bắt đầu khởi động lúc thực dễ dàng mà không cần thao tác phần cứng Chơng trình đợc đa vào nhớ PLC thiết bị lập trình, thiết bị không kết nối cố định với PLC chuyển từ thiết bị điều khiển đến thiết bị điều khiển khác mà không làm xáo trộn hoạt động PLC vận hành mà không cần kết nối với thiết bị lập trình sau chơng trình đợc tải vào nhớ PLC ắ Đánh giá nhu cầu sử dụng: Nếu biết xác số đầu vào đầu xác định kích cỡ yêu cầu nhớ (độ dài chơng trình) tối đa Từ dễ dàng, nhanh chóng lựa chọn loại PLC phù hợp Các thiết bị lập trình loại cầm tay, giao tiếp để bàn, máy tính Các hệ thống cầm tay có bàn phím nhỏ hình tinh thể lỏng Các thiết bị để bàn có hiển thị với bàn phím hoàn chỉnh hình hiển thị Các máy tính cá nhân đợc lập cấu hình nh trạm làm việc phát triển chơng trình ắ Khả tái tạo: Bộ điều khiển logic khả trình PLC đợc a dùng điều khiển khác không sử dụng thuận lợi cho hệ thống đà làm việc ổn định mà đáp ứng nhu cầu thiết bị mẫu mà ngời ta thay đổi cải tiền trình vận hành ắ Tiết kiệm không gian: PLC đòi hỏi không gian so với điều khiĨn r¬le t−¬ng øng, kÝch th−íc nhá cịng cã nghÜa tiết kiệm không gian tủ đặc biệt tiết kiệm lợng tiêu thụ, giảm thiểu đáng kể yêu cầu làm mát, điều kiện khí hậu Việt Nam ắ Sự cải biÕn thn tiƯn: C¸c PLC cã thĨ sư dơng cïng thiết bị Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 29 - Khoa Cơ - Điện Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A điều khiển cho nhiều hệ thống điều khiển Để sửa đổi hệ thống điều khiển qui tắc sử dụng, ngời vận hành cần nhập tập lệnh khác, không cần nối lại dây Nếu muốn thay đổi phận nhỏ dÃy chức năng, đợc cải tạo cách đơn giản cách chép cải biến thêm phần So với kỹ thuật điều khiển rơle giảm phần lớn tổng thời gian lắp ráp Nhờ đó, hệ thống linh hoạt, hiệu So với hệ thống điều khiển logic thông thờng (dạng kinh điển) hệ thống dùng PLC có tiêu u việt 3.1.4 Hiệu kinh tÕ cña PLC [2] Tõ thÕ kû XVIII, sau điều chỉnh cấu với cầu li tâm James Watt xây dựng đợc áp dụng ®iỊu chØnh tèc ®é tua bin, c¸c bé ®iỊu chØnh PID (Protocol Integrated Distributed) khí nén điện tử với rơle điện lần lợt đời vào nửa đầu kỷ XX góp phần tạo nên mặt kỹ thuật điều khiển tự động kinh điển Việc tự động hoá trình sản xuất, trình công nghệ dựa tảng điều khiển cục Mỗi điều khiển có chức điều khiển riêng biệt, phụ trách vòng điều khiển độc lập Ngay nhiệm vụ vận hành giám sát nhiều phải thực cục bộ, chỗ Thực chất, giải pháp điều khiển hiệu mặt kinh tế tin cậy mặt kỹ thuật gây tốn lÃng phí Thì ®êi cđa PLC (Programmable Logic Controller) gãp phÇn quan träng tự động hoá xí nghiệp công nghiệp PLC thực chất loại máy tính điều khiển chuyên dụng có khả lập trình mềm dẻo thay mạch điều khiển rơle cứng trớc Modicon nhà phát minh Richard Morley lần đa vào năm 1968 Đến số lợng chủng loại PLC có mặt thị trờng dạng khó cã thĨ bao qu¸t Víi PLC ta cã thĨ cã mét hƯ thèng ®iỊu khiĨn cã cÊu tróc tËp trung nh phân tán tuỳ theo qui mô ứng dụng Với tính u việt mà hệ thống PLC đợc nhà thầu a dùng so với điều khiển rơle truyền thống 3.1.5 Khả ứng dụng điều khiển Logic khả trình PLC [4] Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 30 - Khoa Cơ - Điện Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Sự phát triển nhanh chóng loại PLC đà đem đến sức mạnh tiện dụng cho ngời dùng Nó đà trở thành phần tử tự động thiếu đợc tự động hoá với chức ứng dụng rộng rÃi ắ Thu thập tín hiệu đầu vào, tín hiệu phản hồi (từ cảm biến) từ xử lí phép tính logic với tốc độ cao, thời gian vòng quét nhỏ ắ Thực liên kết, ghép nối đóng mạch phù hợp qua chuẩn truyền thông Bảng 3.1: Chức PLC số kiểu điều khiển Kiểu điều khiển Chức -Thay điều khiển kiểu Rơle - Thời gian đếm Điều khiển chuyên gia giám sát - Thay cho Panel điêu khiển mạch in - Điều khiển tự động, bán tự động tay, máy trình - Thùc hiƯn c¸c phÐp to¸n sè häc - Cung cÊp thông tin (Bus truyền thông) - Điều khiển động chấp hành Điều khiển dÃy - Điều khiển động bớc - Điều hành trình báo động - Phát lỗi điều hành - Ghép nối máy tính (RS232/RS485) Điều khiển mềm dẻo - Ghép nối máy in - Mạch TĐH xí nghiệp Trong nhà máy công nghiệp, hệ thống TĐH đóng vai trò quan trọng Với tính bật điều khiển lập trình PLC đợc ứng dụng phổ biến Dới đa số ứng dụng bản: ắ Hệ thống điều khiển tự động trộn bê tông: Sử dụng phần mềm điều khiển Simatic S7 - 200 phần mềm WinCC, quản lý toàn trình thi công, sản xuất giao hàng tiết kiệm nguyên liệu, chi phí đầu t Hệ thống Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 31 - Khoa Cơ - Điện Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A cân định lợng trạm trộn đảm bảo xác cao đà giải triệt để sai lệch động nhờ ứng dụng thuật toán bù khối lợng Thực tế sản xuất cho thấy, sai số sau bù lệch 16Kg/11,95 bê tông tơi, kết vợt mong đợi Hệ thống trộn bê tông tự động đà đợc chuyên gia Nhật Bản Cu Ba đánh giá cao, cho phép áp dụng vào dự án lớn thành phố Hà Nội ắ Mô hình ga tập trung điện khí sử dụng PLC: Tăng cơng lực thông ga độ an toàn chạy tàu Đợc ứng dụng vào ga nhỏ tăng động xác, an toàn, giảm cờng độ lao động cho ngời trực ban (chỉ cần nhìn vào hình biết đợc cự ly tàu so với ga) thay thao tác thủ công nh chờ tàu đến, tàu đến phải chạy xem tàu đà vào hết cha ắ Mô hình đóng mở cửa tự động: Cửa tự động mở có ngời đến gần kéo dài khoảng thời gian xác định, trớc đóng Các tín hiệu vào hệ thống điều khiển xuất phát từ cảm biến dùng để phát có ngời đến gần từ bên đến gần ngời từ bên Các cảm biến linh kiện bán dẫn cảm biến nhiệt cung cấp tín hiệu điện áp xạ hồng ngoại tác động lên chúng Ngoài ra, có tín hiệu nhập vào thiết bị điều khiển phát từ công tắc giới hạn biết thời điểm cửa mở hoàn toàn thiết bị định để trì cửa mở thời gian yêu cầu Tín hiệu thiết bị điều khiển dẫn đến van điều khiển, van khí nén vận hành Solenoid sử dụng chuyển động pittông xi lanh để mở đóng cửa Mô hình đà đợc ứng dụng vào nhà văn phòng Chính phủ đà đợc ý kiến phản hồi đáng khích lệ ắ Nhà sản xuất Thuỵ SÜ Mikron chän PLC cđa Siemens sư dơng x−ëng chế tạo họ PLC đối thoại qua hệ thống máy tính công nghiệp chạy phần mềm HMI chìa khoá để làm cho hệ thống lớn dễ thiết lập sử dụng ắ Nhà sản xuất Ôtô Jaguar (Anh) sử dụng PLC truyền động để đảm bảo hoạt động dây chuyền sản xuất với tính Mosbus Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 32 - Khoa Cơ - Điện Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Ethernet TCP/IP Web cho phép kỹ s kiểm tra tình trạng thiết bị từ vị trí nhà máy 3.1.6 Cấu trúc điều khiển lập trình PLC [5] Hệ thống PLC thông dụng có năm phận bản, gồm xử lí, nhớ, nguồn, giao diện nhập xuất thiết bị lập trình Thiết bị lập trình Bộ nhớ Giao diện nhập Bộ xử lí Giao diện xuất Nguồn công suất Hình 3.1: Sơ ®å khèi hƯ thèng PLC Bé xư lÝ trung t©m Bé xư lý trung t©m (CPU) chøa bé vi xử lí hệ thống, nhớ mạch nhập/xuất Bộ xử lí trung tâm đợc trang bị đồng hồ có tần số khoảng đến 8MHz Tốc độ định tốc độ vận hành PLC, cung cấp chuẩn thời gian đồng hoá tất thành phần hệ thống Cấu hình CPU tuỳ vào vi xử lí Nói chung, CPU có: ắ Bộ thuật toán logic (ALU) chịu trách nhiệm xử lí liệu, thực phép toán số học (cộng, trừ) phép toán logic AND, OR, NOT EXCLUSIVE-OR ắ Bộ nhớ, gọi ghi, bên vi xử lí, đợc sử dụng để lu trữ thông tin lên quan đến thực thi chơng trình Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 33 - Khoa Cơ - Điện Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A ắ Bộ điều khiển đợc sử dụng để điều khiển chuẩn thời gian phép toán Thông tin PLC đợc truyền dới dạng tín hiệu Digital Các đờng dẫn bên truyền tín hiệu Digital đợc gọi bus Về vật lý, bus dây dẫn, truyền tín hiệu điện Bus đờng dẫn dùng để truyền thông bên PLC Thông tin đợc truyền theo dạng nhị phân, theo nhóm bit, bit số nhị phân 0, tơng ứng với trạng thái on/off Thuật ngữ từ đợc sử dụng cho nhóm bit tạo thành thông tin Hệ thống PLC có bốn bus: ắ Bus liệu tải liệu đợc sử dụng trình xử lí CPU Bộ vi xư lÝ bit cã mét bus d÷ liƯu néi cã thĨ thao t¸c c¸c sè bit, cã thĨ thực phép toán số bit phân phối kết theo số bit ắ Bus địa đợc sử dụng để tải địa vị trí nhớ Nh vậy, từ đợc định vị nhớ, vị trí nhớ đợc gán địa Bus địa mang thông tin cho biết địa đợc truy cập Nếu bus địa gồm đờng, số lợng từ bit, số lợng địa phân biệt 28 = 256 Với bus địa 16 đờng, số lợng địa khả dụng 65.536 ắ Bus điều khiển mang tín hiệu đợc CPU sử dụng để điều khiển; ví dụ, để thông báo cho thiết bị nhớ nhận liệu từ thiết bị nhập xuất liệu, tải tín hiệu chuẩn thời gian đợc dùng để đồng hoá hoạt động ắ Bus hệ thống đợc dùng để truyền thông cổng nhập/xuất thiết bị nhập/xuất Bộ nhớ Là nơi lu chơng trình cho hoạt động điều khiển, dới kiểm tra vi xử lý Trong hệ thông PLC có nhiều loại nhớ: ắ Bộ nhớ đọc (ROM) cung cấp dung lợng lu trữ cho hệ điều hành liệu cố định đợc CPU sử dụng ắ Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) dành cho chơng trình ngời dùng nơi lu trữ thông tin theo trạng thái thiết bị nhập/xuất, Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 34 - Khoa Cơ - Điện Đồ ¸n tèt nghiƯp Ngun Träng Hïng - §iƯn 45A gi¸ trị đồng hồ thời chuẩn, đếm thiết bị nội vi khác Một phần nhớ này, khối địa chỉ, dành cho địa ngõ vào ngõ ra, với trạng thái ngõ vào ngõ phần dành cho liệu đợc cài đặt trớc, phần khác dành để lu trữ giá trị đếm, giá trị đồng hồ thời chuẩn ắ Bộ nhớ đọc xoá lập trình đợc (EPROM) ROM lập trình, sau trơng trình đợc thờng trú ROM Ngời dùng thay đổi chơng trình liệu RAM Tất PLC có lợng RAM để lu chơng trình ngời dùng cài đặt liệu chơng trình Tuy nhiên, để tránh mát chơng trình nguồn công suất bị ngắt, PLC sử dụng ắc quy để trì nội dung RAM thời gian Sau đợc cài đặt vào RAM, chơng trình đợc tải vào vi mạch nhớ EPROM, thờng module có khoá với PLC, chơng trình trở thành vĩnh cửu Ngoài có đệm tạm thời, lu trữ kªnh nhËp/xt Bé ngn Bé ngn cã nhiƯm vơ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (5 V) cần thiết cho xử lý mạch ®iÖn module giao diÖn nhËp/xuÊt Nguån cung cÊp cho PLC đợc cấp từ nguồn 220V~ 110V~ (tần số 50 ữ 60 Hz) 24 DCV Thiết bị nhập/xuất Thiết bị nhập/xuất nơi xử lý nhận thông tin từ thiết bị ngoại vi truyền thông tin tới thiết bị bên Tín hiệu nhập từ công tắc từ cảm biến Các thiết bị xuất đến cuộn dây khởi động động cơ, van Solenoid thiết bị nhập/xuất đợc phân loại theo kiểu tín hiệu cung cấp, rời rạc Digital Analog Các thiết bị cung cấp tín hiệu rời rạc Digital thiết bị có tín hiệu on off Các thiết bị Analog cung cấp tín hiệu có độ lớn tỷ lệ với Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 35 - Khoa Cơ - Điện Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A giá trị biến đợc giám sát Thiết bị lập trình Đợc sử dụng để nhập chơng trình cần thiết vào nhớ xứ lý Chơng trình đợc viết thiết bị này, sau đợc chuyển đến bé nhí cđa PLC 3.1.7 Tr×nh tù thiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu khiĨn sư dơng bé ®iỊu khiĨn PLC LËp trình điều khiển (cho PLC) ngày trở nên phổ biến, không giống với lập trình thông thờng cho máy tính (PC) hay cho vi điều khiển lý đơn giản toán lập trình điều khiển cho PLC có đặc thù riêng PLC đợc thiết kế cho phép kỹ s, không yêu cầu kiến thức cao máy tính ngôn ngữ máy tính, vận hành, quy trình thực thờng là: - Nghiên cứu yêu cầu điều khiển - Xác định số lợng đầu vào đầu - Viết chơng trình điều khiển - Nạp chơng trình vào nhớ PLC - Cho PLC chạy thử để điều khiển đối tợng Nghiên cứu yêu cầu cần điều khiển hệ thống Đầu tiên phải xác định thiết bị hệ thống mà muốn điều khiển Mục đích chủ yếu điều khiển đợc lập trình hoá để điều khiển hệ thống bên Hệ thống đợc điều khiển thiết bị, máy móc, trình xử lý thờng gọi hệ thống điều khiển Xác định số lợng đầu vào đầu Tất thiết bị nhập/xuất cung cấp giao diện hệ thống giới bên Cho phép thực nối kết, thiết bị cảm ứng Những thiết bị xuất thiết bị từ tính, van điện từ, động đèn báo Thông qua thiết bị nhập/xuất, chơng trình đợc đa vào hệ thống từ bảng chơng trình Mỗi điểm nhập/xuất có địa đợc CPU sử dụng Các kênh nhập/xuất có chức cô lập điều hoà tín hiệu cho cảm biến tác động đợc nối trực tiếp với chúng mà Trờng ĐHNNI - Hà Nội - 36 - Khoa Cơ - Điện ... khiển tự động, bán tự động tay, máy trình - Thùc hiƯn c¸c phÐp to¸n sè häc - Cung cấp thông tin (Bus truyền thông) - Điều khiển động chấp hành Điều khiển dÃy - Điều khiển động bớc - Điều hành trình. .. liệu RAM Tất PLC có lợng RAM để lu chơng trình ngời dùng cài đặt liệu chơng trình Tuy nhiên, để tránh mát chơng trình nguồn công suất bị ngắt, PLC sử dụng ắc quy để trì nội dung RAM thời gian... Khoa Cơ - Điện Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Trọng Hùng - Điện 45A Sự phát triển nhanh chóng loại PLC đà đem đến sức mạnh tiện dụng cho ngời dùng Nó đà trở thành phần tử tự động thiếu đợc tự động hoá