nghiên cứu và thực hiện bộ điều khiển PID trênPLC s7 300

Kỹ thuật

1 LỜI MỞ ĐẦU Nước ta đang trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa để từng bước bắt kịp sự phát triển cùng các nước trong khu vực cũng như các nước trên thế giới về mọi mặt kinh tế, kỹ thuật và xã hội. Công nghiệp sản xuất hàng hóa đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các mặt kể trên. Việc tự động hóa là sự lựa chọn đúng đắn trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra sản phẩm hàng loạt, có chất lượng cao, tăng khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường. Cùng với các ngành sản xuất khác thì ngành công nghiệp nặng đóng vai trò quan trọng nhất trong việc đưa nước ta có trở thành một nước công nghiệp tiến bộ hay không. Và ngành gia công kim loại chính xác cũng góp một phần nhỏ bé của mình vào xu hướng trung đó. Nhưng hiện nay trang thiết bị máy móc phục vụ trong công nghiệp ở nước ta đa số còn lạc hậu song do vốn đầu tư còn hạn hẹp. Nên việc cải tiến không thể tiến hành thay thế một cách đồng loại mà chúng ta phải kết hợp trên những nền tảng vốn có và thay thế một số trang thiết bị sao cho vốn đầu tư là nhỏ nhất, nhưng dây truyền vẫn không lạc hậu mà vẫn phù hợp với xu thế hiện nay. Vì vậy nghiên cứu và đưa PLC S7-300 vào sử dụng là một giải pháp cải tiến đúng đắn cho điều khiển ngành công nghiệp Việt Nam hiện nay. Việc nghiên cứu và thực hiện bộ điều khiển PID trênPLC S7-300 là nội dung đồ án tốt nghiệp mà em trình bày. Đồ án của em gồm 3 chương như sau: CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300 CHƯƠNG II : TẬP LỆNH LADER CỦA PLC S7-300 Ch-¬ng 3: bé biÕn ®æi PID trªn S7-300 2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300 Trạm tích cực còn gọi là trạm chủ có chức năng kiểm soát việc giao tiếp với các trạm tớ nó quản lý hoặc có thể giao tiếp với các trạm tích cực khác trong mạng. Hay nói cách khác các trạm chủ có khả năng kiểm soát truyền thông trên bus. Một trạm chủ có thể gửi thông tin khi nó giữ quyền truy nhập bus. Các trạm chủ là các thiết bị điều khiển được tích hợp một cách tổng thể dưới tên là SIMATIC. Đó là các SIMATIC S7, SIMATIC M7, SIMATIC C7, SIMATIC S5 . 1.1. cÊu tróc c¬ b¶n cña mét tr¹m Simatic s7-300. SIMATIC S7 - 300 là hệ PLC mini, ứng dụng phần lớn trong điều kiện môi trường làm việc khắc nghiệt như độ rung lắc mạnh, nhiệt độ, độ ẩm cao hoặc trong môi trường bụi bẩn, ví dụ như: Quản lý và điều khiển hệ thống đèn tín hiệu giao thông. Hệ thống xử lý nước thải. Bảo quản hàng đông lạnh. Các ngành đường sắt. Ngành hoá chất . Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hoá về cấu hình, chúng được chia nhỏ thành các module. Số lượng các module được sử dụng nhiều hay ít tùy thuộc vào từng bài toán điều khiển cụ thể, tuy nhiên bao giờ cũng phải có một module chính, đó là module CPU. Các module còn lại là những module truyền ,nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển, các module chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ .được gọi là các module mở rộng. Các module được gá trên các thanh rack. 3 Hinh1: cấu hình bộ CPU * Module CPU: là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485) .và có thể có một vài cổng vào ra số. SIMATIC S7 - 300 có khả năng tính toán nhanh, bộ lệnh hoàn chỉnh, kết nối đa điểm (MPI) và có khả năng nối mạng qua mạng SIMATIC NET LAN. Có các hàm lập sẵn, khả năng chẩn đoán toàn diện, bảo vệ bằng mật mã, hệ thống kết nối thuận tiện. Module CPU có thể quản lý được 3 rack, các đường tín hiệu được tích hợp vào trong module và các hệ thống kết nối có sẵn. S7-300 có hai loại module CPU chính là: Loại CPU chỉ có một cổng truyền thông phục vụ cho việc kết nối với các thiết bị lập trình, mạng. Loại này không thực hiện điều khiển phân tán được. Loại CPU có hai cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. * Module mở rộng: Bao gồm 5 (năm) loại chính:  Module nguồn (PS - Power Supply) có ba loại: 2A, 5A,10A.  Module tín hiệu (SM - Sign Module ) bao gồm: 4 Module tín hiệu vào số (DI - Digital Input). Số lượng các cổng vào số trên mỗi module có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào từng loại. Module tín hiệu ra số (DO - Digital Output). Số lượng các cổng ra số trên mỗi module có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào từng loại. Module tín hiệu vào /ra số (DI/DO - Digital Input/ Digital Output). Số lượng các cổng vào /ra số trên mỗi module có thể là 8 vào /8 ra hoặc 16 vào /16 ra tùy thuộc vào từng loại. Module tín hiệu vào tương tự (AI - Analog Input). Thực chất chính là các bộ chuyển đổi tương tự số. Số lượng các cổng vào tương tự trên mỗi module có thể là 2, 4 hoặc 8 tùy thuộc từng loại. Module tín hiệu ra tương tự (AO - Analog Output). Thực chất chính là các bộ chuyển đổi số tương tự. Số lượng các cổng ra tương tự trên mỗi module có thể là 2, 4 tùy thuộc từng loại. Module tín hiệu vào /ra tương tự (AI/AO - Analog Input/Analog Output). Số lượng các cổng vào /ra tương tự trên mỗi module có thể là 4 vào /2 ra hoặc 4 vào /4 ra tùy thuộc vào từng loại. Module ghép nối (IM - Interface Module) đây là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một module CPU. Module chức năng (FM - Function Module) có chức năng điều khiển riêng như: module điều khiển động cơ bước, động cơ servo, module PID . Module truyền thông (CP - Communication Module) phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính. 1.2. cÊu tróc cña tr¹m tÝch cùc trong phßng thÝ nghiÖm. Các thiết bị chủ được lắp đặt trong phòng thí nghiệm của trường bao gồm bốn trạm SIMATIC S7C - 300, CPU 315 - 2DP. Mỗi trạm SIMATIC S7 -300, CPU 315 - 2DP lắp đặt trong phòng thí nghiệm của trường có cấu trúc như sau: Module nguồn PS (Power Supply), loại 10A. 5 Module xử lý trung tâm CPU, loại CPU 315 - 2DP. Module ghép nối IM (Interface module), loại IM153 - 1. Module đếm FC (Function module), loại FC - 350. Tất cả các module được đặt trên thanh rack, mỗi module chiếm một khe cắm (slot) trên rack. Việc giao tiếp giữa CPU và các module mở rộng được thực hiện thông qua một bus nội bộ đặt trên rack (back plane bus). 1.3. c¸c thµnh phÇn cña tr¹m Simatic S7-300. a. Rack. Mã số: 6ES7 390 - 1AF30 - 0AA0. Các module được đặt lên thanh rack. Mỗi rack cho phép đặt tối đa là 11 module theo một thứ tự nhất định. Như vậy là một CPU được ghép nối cùng các module mở rộng trên thanh rack, trong đó việc truy nhập của CPU vào các module mở rộng được thực hiện thông qua địa chỉ của chúng. Một module CPU có khả năng quản lý được 4 thanh rack với tối đa 8 module mở rộng trên mỗi thanh. Tuỳ thuộc vào vị trí lắp đặt của module mở rộng trên mỗi thanh rack mà các cổng vào /ra trên nó có địa chỉ khác nhau. b. Module nguồn PS ( Power Supply ). Mã số: 6ES7 307 - 1KA00 - 0AA0 Module nguồn (PS) dùng để chuyển đổi tín hiệu điện 120/ 230VAC thành 24VDC để cung cấp cho CPU, cảm biến / cơ cấu chấp hành v.v. Sơ đồ cấu trúc mạch của Module nguồn PS307 (10A). Hình 1.2: Module nguồn PS Bảng: Thông số kỹ thuật. 6 Đầu vào Điện áp đầu vào. Giá trị biến thiên điện áp. Dải điện áp cho phép. 120/ 230VAC 93 đến 132VAC/ 187 đến 264VAC Thời gian quá áp cực tiểu. 20ms Tần số làm việc. Giá trị định mức. Giá trị cho phép. 50/ 60 Hz. 47 đến 63 Hz. Dòng đầu vào. Giá trị định mức ở 230VAC. Giá trị định mức ở 120VAC. 1,7 A 3,5 A Đầu ra Điện áp đầu ra Giá trị định mức. Giá trị cho phép. 24VDC. 24VDC + 5 % Dòng đầu ra Giá trị định mức. 10A. Thông số chung Tổn hao công suất Nhiệt độ làm việc 30 W. 0 – 60 độ C c. Module xử lý trung tâm CPU 315 - 2 DP. Module CPU 315 – 2DP là loại có hai cổng truyền thông, cổng thứ nhất phục vụ cho việc ghép nối với các thiết bị ngoại vi như máy tính, máy in .cổng thứ hai phục vụ cho việc nối mạng phân tán.  Mô tả: Mặt trước của module CPU 315-2DP gồm: Hệ thống chỉ thị (Status and fault LEDs). Công tắc chọn chế độ hoạt động. Cổng truyền thông phục vụ cho việc kết nối với MPI Cổng truyền thông phục vụ cho việc kết nối với PROFIBUS -DP. Nguồn và nối đất ( Terminals for power supply and functional ground). 7 Hệ thống chỉ thị: Hệ thống chỉ thị báo các trạng thái hoạt động của CPU, bao gồm: Hình 1.3: CPU 315 - 2 DP SF: Chỉ thị trạng thái các lỗi. BATF: Chỉ thị trạng thái lỗi của nguồn nuôi. DC 5V: Báo trạng thái nguồn +5VDC. RUN: báo CPU đang trong chế độ hoạt động. STOP: báo CPU đang trong chế độ dừng. BUSF: Chỉ thị trạng thái lỗi bus. Công tắc chọn chế độ hoạt động: Công tắc chọn chế độ hoạt động là một núm xoay có 4 vị trí, tương ứng với 4 chế độ: RUN - P: tại chế độ này CPU sẽ tự quyết định chế độ, RUN hoặc STOP. RUN: đặt CPU vào chế độ hoạt động. 8 STOP: đặt CPU vào chế độ dừng. MRES: Xoá chương trình trong CPU và sao chép chương trình từ card nhớ sang CPU. Cổng truyền thông để kết nối với MPI: CPU kết nối với MPI (Multi Poit Interface) bằng giao diện RS485, 9 chân nó phục vụ cho việc truyền thông giữa các trạm với nhau và các trạm với máy tính. Cổng truyền thông để kết nối với PROFIBUS – DP: CPU kết nối với PROFIBUS - DP bằng giao diện RS485, 9 chân nó phục vụ cho việc nối mạng phân tán.  Cấu trúc. Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc chung của một bộ điều khiển logic khả trình (PLC) Bao gồm các thành phần cơ bản như sau: Khối vi xử lý trung tâm và hệ điều hành: tính toán, xử lý và thực hiện điều khiển toàn bộ hoạt động của PLC. Hệ điều hành chương trình được lưu trong ROM. Bộ nhớ chương trình trình Khối vi xử lý trung tâm + Hệ điều hành Timer Bít cờ Bộ đếm Bộ đệm vào / ra Cổng vào ra onboard Cổng ngắt và đếm tốc độ cao Quản lý ghép nối CPU Bus 9 Bộ nhớ chương trình: lưu giữ chương trình, có thể làm bộ đệm cho quá trình xử lý và tính toán. Thông thường bộ nhớ chương trình dùng loại RAM, EEPROM . Bộ đệm vào ra: phục vụ cho việc truy xuất các tín hiệu vào /ra số, còn các tín hiệu vào /ra tương tự được truy xuất trực tiếp. Bộ thời gian (Timer): tạo thời gian trễ mong muốn giữa tín hiệu logic đầu vào và tín hiệu logic đầu ra. Bộ đếm (Counter): thực hiện chức năng đếm sườn xung của các tín hiệu đầu vào Cổng vào /ra Onboard: là các cổng vào /ra được gắn ngay trên module CPU Cổng ngắt và đếm tốc độ cao: quản lý các loại ngắt và chương trình xử lý ngắt, quản lý các bộ đếm tốc độ cao. Quản lý ghép nối: quản lý việc ghép nối của CPU với các module mở rộng, các thiết bị ngoại vi . Bus: phục vụ cho việc truyền thông nội bộ và giữa CPU với các thiết bị ngoại vi  Các chức năng chính. Trong CPU đã được cài đặt sẵn hệ điều hành của chương trình, thực hiện tất cả các chức năng điều khiển thời gian thực, truyền thông, chuẩn đoán và kiểm tra, quản lý thông tin, lưu trữ và bảo vệ .v.v. CPU có bộ nhớ chương trình và RAM tốc độ cao (tốc độ xử lý lệnh tương đối nhanh, thực hiện một lệnh nhị phân trong khoảng thời gian 300ns) cung cấp một dung lượng đủ lớn (64Kbyte) cho chương trình người sử dụng. Có khả năng mở rộng một cách linh hoạt, lên tới 32 module mở rộng nằm trên 4 racks. Chức năng lưu trữ thông tin: CPU có thể lưu trữ tất cả các thông tin về cấu hình hệ thống, các chương trình ứng dụng (chương trình chính, con, ngắt .). Trong một số trường hợp đặc biệt CPU còn có khả năng lưu trữ số 10 liệu mà không cần pin. Ngoài ra có thể sao chép dự phòng chương trình một cách đơn giản nhờ card nhớ, dung lượng của card nhớ có thể lên tới 4MB. Chức năng bảo vệ: CPU cung cấp password nhằm xác định quyền truy cập cho chương trình và các dữ liệu. Nếu không có password thì không thể thực hiện việc quan sát, sao chép, xoá chương trình ứng dụng. Chức năng kiểm tra, chuẩn đoán và thông báo các tình trạng kỹ thuật của hệ thống cho người vận hành: CPU có khả năng kiểm tra và chuẩn đoán các tình trạng kỹ thuật của hệ thống, bao gồm cả về cấu hình cứng và lỗi trong các chương trình ứng dụng. Ngoài ra CPU còn dành một vùng đệm để lưu trữ các kết quả kiểm tra và chuẩn đoán, 100 lỗi và các sự kiện ngắt mới nhất được lưu trữ tại vùng đệm để phục vụ cho việc kiểm tra tiếp theo. Sau khi thực hiện việc kiểm tra và chuẩn đoán thì CPU sẽ thông báo các trạng thái lỗi cho người vận hành bằng đèn LED. Các đèn LED chỉ ra lỗi phần cứng, lỗi chương trình, lỗi thời gian, lỗi vào /ra hay lỗi của pin và các trạng thái hoạt động như RUN, STOP . Chức năng thông tin: có thể sử dụng thiết bị lập trình (PC, PG .) để quan sát sự thay đổi trạng thái của các tín hiệu trong quá trình thực hiện chương trình, thậm chí có thể thay đổi các biến số một cách độc lập với chương trình của người dùng. Ngoài ra thiết bị lập trình còn có thể được dùng để cung cấp cho người sử dụng các thông tin về dung lượng bộ nhớ, chế độ hoạt động của CPU, bộ nhớ làm việc và bộ nhớ số liệu đang được sử dụng, thời gian quét hiện tại và nội dung của vùng đệm kiểm tra .v.v. Chức năng truyền thông: các chức năng truyền thông chính: Truyền thông với thiết bị lập trình /OP. Truyền thông số liệu toàn cục. Truyền thông cơ sở. Truyền thông mở rộng. Truyền thông tương thích với S5. Truyền thông theo chuẩn. . cứu và đưa PLC S7- 300 vào sử dụng là một giải pháp cải tiến đúng đắn cho điều khiển ngành công nghiệp Việt Nam hiện nay. Việc nghiên cứu và thực hiện bộ. một bộ điều khiển logic khả trình (PLC) Bao gồm các thành phần cơ bản như sau: Khối vi xử lý trung tâm và hệ điều hành: tính toán, xử lý và thực hiện điều