Ứng dụng PLC thiết kế sơ đồ điều khiển đèn giao thông cho ngã tư

MỤCLỤC Đặt vấn đề Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm hệ thống điều khiển 1.1.1 Phương pháp điều khiển nối cứng (điều khiển lập tuyến) 1.1.2 Hệ thống điều khiển lập trình (PLC) 1.2 Bộ điều khiển lập trình đƣợc (PLC) 1.2.1 Cấu trúc PLC 1.2.2 Cấu tạo, phân loại PLC 1.2.3 Hệ thống điều khiển PLC S7 – 300 1.3 Kỹ thuật lập trình PLC S7-300 11 1.3.1 Lập trình tuyến tính lập trình có cấu trúc 11 1.3.2 Quy trình thiết kế hệ điều khiển PLC 12 1.3.3 Ngơn ngữ lập trình cho PLC S7 - 300 13 1.3.4 Lập trình chọn chế độ làm việc cho PLC S7-300 15 1.3.5 Các khối, hàm chức PLC 19 1.3.6 Bộ thời gian 28 1.4 Kết nối mạng PLC 35 1.4.1 Mạng MPI (Multi-point-Capable-Interface) 35 1.4.2 Khai báo mạng MPI 36 1.4.3 Mạng vào phân tán 37 Chƣơng 2: THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG TẠI NGÃ TƢ 38 2.1 Khảo sát hệ thống điều khiển hệ thống đèn giao thông ngã tƣ 38 2.1.1 Nguyên tắc điều khiển hoạt động hệ thống 38 Hình 2.1 Mơ hình đèn ngun tắc điều khiển hướng 38 2.1.2 Phương pháp điều khiển Rơ le trung gian 39 2.1.3 Cấu hình chung thiết bị mơ 41 2.1.4 Giản đồ thời gian 42 2.2 Mạch điện điều khiển trạng thái hệ thống đèn 42 CHƢƠNG 3: MƠ PHỎNG CHƢƠNG TRÌNH 46 Tài liệu tham khảo 52 Đặt vấn đề Ngày với phát triển kinh tế, việc đô thị hố gia tăng nhanh chóng Dẫn đến lƣợng phƣơng tiện lƣu thông đô thị tăng theo Do vấn đề đảm bảo giao thơng đô thị, đặc biệt nút giao thông diễn thông suốt quan trọng Để việc lại nút giao thông đƣợc thông suốt thuận lợi nhờ đến giúp đỡ lực lƣợng Cảnh sát giao thông lực lƣợng khác Tuy nhiên, với đô thị lớn có số nút giao thơng nhiều khó có có đủ lực lƣợng để đảm nhiệm cơng việc Mặt khác việc nhờ đến giúp đỡ Cảnh sát giao thông lực lƣợng khác khó khăn tốn Ngày với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật ngƣời biết ứng dụng thành tựu khoa học kỹ thuật vào đời sống Đèn giao thông thành tựu Đèn giao thơng hệ thống đèn tín hiệu hƣớng dẫn phƣơng tiện ngƣời tham gia giao thông nút Đèn giao thông đời từ lâu chứng tỏ cho ngƣời thấy việc sử dụng đèn giao thông thiếu thời đại ngày Việc điều khiển đèn giao thơng có nhiều cách, dùng vi điều khiển, dùng PLC, đề tài mà em chọn “Ứng dụng PLC thiết kế sơ đồ điều khiển đèn giao thông cho ngã tƣ” Bố cục bài: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Thiết kế mơ hình đèn giao thơng ngã tƣ Chƣơng 3: Mơ chƣơng trình Hà Nội: Ngày…., Tháng…., Năm 2017 Sinh viên thực đề tài Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm hệ thống điều khiển Điều khiển trình hệ thống dƣới tác động hay nhiều đại lƣợng gọi đại lƣợng vào, đại lƣợng khác gọi đại lƣợng đƣợc thay đổi theo quy luật định hệ thống Hiện ngƣời ta chia cơng nghệ điều khiển làm hai loại là: - Phƣơng pháp điều khiển nối cứng (điều khiển lập tuyến) - Phƣơng pháp điều khiển lập trình đƣợc 1.1.1 Phương pháp điều khiển nối cứng (điều khiển lập tuyến) Phƣơng pháp điều khiển nối cứng hệ thống đƣợc thực phần tử tự động nối với đƣờng dây Trong điều khiển nối cứng ngƣời ta chia làm hai loại: Điều khiển nối cứng tiếp điểm điều khiển nối cứng không tiếp điểm a Phương pháp điều khiển nối cứng có tiếp điểm Dùng khí cụ điện tử nhƣ rơle, công tắc tƣ với cảm biến, đèn, cơng tắc, khí cụ đƣợc nối lại với theo mạch điện cụ thể để thực mooti yêu cầu công nghệ định nhƣ mạch đổi chiều quay, mạch khởi động giới hạn dòng hay mạch điều khiển động chạy dừng Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nối cứng có tiếp điểm b Phương pháp điều khiển nối cứng không tiếp điểm Dùng cổng logic đa hay mạch (gọi chung IC số) kết hợp với cảm biến, đèn, công tắc Các IC số đƣợc nối lại với theo theo sơ đồ logic cụ thể để thực yêu cầu công nghệ định Các mạch điều khiển nối cứng sử dụng linh kiện điện tử công suất, quang trở, triac, tranzitor để thay cơng tắc mạch đọng lực Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển nối cứng không tiếp điểm Trong hệ thống điều khiển nối cứng, linh kiện hay khí cụ điện đƣợc nối vĩnh viễn với Do muốn thay đổi lại nhiệm vụ điều khiển phải nối dây lại tồn mạch điện Với mạch phức tạp khơng hiệu tốn Phƣơng pháp điều khiển nối cứng đƣợc thực theo bƣớc sau: Hình 1.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển nối cứng 1.1.2 Hệ thống điều khiển lập trình (PLC) Trong hệ thống diều khiển lập trình đƣợc cấu trúc điều khiển cách nỗi dây độc lập với chƣơng trình Chƣơng trình đƣợc định nghĩa hoạt động điều khiển đƣợc ghi trực tiếp vào nhớ điều khiển nhờ trợ giúp lập trình hay máy vi tính Để thay đổi chƣơng trình điều khiển cần thay đổi nội dung nhớ điều khiển, phần nối dây bên ngồi khơng bị ảnh hƣởng, ƣu điểm phƣơng pháp điều khiển lập trình đƣợc Các bƣớc thiết lập sơ đồ điều khiển lập trình: Hình 1.4 Lưu đồ thuật tốn điều khiển lập trình 1.2 Bộ điều khiển lập trình đƣợc (PLC) 1.2.1 Cấu trúc PLC Thiết bị điều khiển logic lập trình (Programmable Logic Control, viết tắt PLC) loại thiết bị cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển số thơng qua ngơn ngữ lập trình Thay cho việc thực thuật tốn mạch số nhƣ với chƣơng trình điều khiển PLC trở thành điều khiển số nhỏ gọn dễ dàng thay đổi thuật toán đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trƣờng xung quanh (với PLC khác hay máy tính) Tồn chƣơng trình điều khiển đƣợc lƣu nhớ PLC dƣới dạng khối chƣơng trình nhƣ khối OB, FC FB, đƣợc thiết lập theo chu kỳ vịng qt Để thực đƣợc chƣơng trình điều khiển, tất nhiên PLC có tình nhƣ máy tính Nghĩa phải có vi xử lý (PLC), hệ điều hành, nhớ để lƣu chƣơng trình điều khiển, liệu tất nhiên phải có cổng đầu vào/ra để giao tiếp đƣợc với đối tƣợng điều khiển trao đổi thông tin với mơi trƣờng xung quanh Bên cạnh PLC cịn có thêm khối chức đặc biệt khác nhƣ đếm (Counter), thời gian (Timer)… khối chuyên dụng khác Thiết bị điều khiển logic lập trình PLC thiết bị điều khiển đặc biệt dựa vi xử lý, sử dụng nhớ lập trình đƣợc để lƣu trữ lệnh thực chức năng: phép logic, lập chuỗi, định giờ, đếm, thuật tốn để điều khiển máy q trình Hình 1.5 PLC có thành phần bản: Đơn vị xử lý trung tâm, nhớ, nguồn nuôi, khối tín hiệu vào/ra thiết bị lập trình Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc PLC 1.2.2 Cấu tạo, phân loại PLC a Cấu tạo Một PLC điển hình có cấu tạo nhƣ hình vẽ: Hình 1.7 Ta thấy cấu trúc PLC bao gồm vi xử lý trung tâm CPU, nhơ (ROM, RAM), khối vào ra, khối phát xung nhịp, pin hệ thống BUS Toàn hoạt động PLC đƣợc điều khiển CPU, đƣợc cung cấp khối phát xung nhịp, tốc độ CPU phụ thuộc vào khối phát xung nhịp( thơng thƣờng khối phát xung nhịp có tần số vào khoảng ÷ MHz ), xung nhịp cung cấp cho tất khối PLC để đồng hóa q trình hoạt động khối với CPU Hệ thống BUS bao gồm BUS địa ( xác định địa vùng nhớ ), BUS điều khiển ( truyền tải thông tin điều khiển ), BUS liệu ( truyền tải liệu)và BUS vào/ra ( mang thông tin từ đầu vào ra) Có bốn nhớ PLC: + Bộ nhớ ROM: loại nhớ thay đổi đƣợc, nhớ nạp đƣợc lần nên đƣợc sử dụng phổ biến nhƣ loại nhớ khác + Bộ nhớ RAM: loại nhớ thay đổi đƣợc dùng để chứa chƣơng trình ứng dụng nhƣ liệu, liệu chứa RAM bị khí điện Tuy nhiên, điều khắc phục cách dung Pin + Bộ nhớ EPROM: giống nhƣ RAM, nhuồn nuôi cho EPROM không cần dung Pin, nhiên nội dung chứa xóa cách chiếu tia cực tím vào cửa sổ nhỏ EPROM sau nạp lại nội dung máy nạp + Bộ nhớ EEPROM: kết hợp hai ƣu điểm RAM EPROM, loại xoa nạp tín hiệu điện Tuy nhiên số lần nạp có giới hạn b Phân loại PLC Hiện lĩnh vực điều khiển nói chung ngành tự động hóa nói riêng, PLC đƣợc đƣa vào sử dụng ngày nhiều với tính lớn nhƣ: PLC S5; PLC S7 – 200; PLC S7 – 300; PLC S7 – 400; PLC LOGO c Ưu điểm hệ điều khiển PLC Sự đời hệ điều khiển PLC làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển nhƣ quan niệm thiết kế chúng, hệ điều khiển dùng PLC có nhiều ƣu điểm sau: - Giảm 80% số lƣợng dây dẫn - Công suất tiêu thụ PLC thấp - Có chức tự chuẩn đốn dễ dàng cho cơng tác sửa chữa đƣợc nhanh chóng dễ dàng - Chức điều khiển thây đổi dễ dàng thiết bị lập trình (máy tính, hình ) mà khơng cần thay đổi phần cứng khơng có u cầu thêm bớt thiết bị xuất nhập - Số lƣợng Rơle Timer nhiều so với hệ điều khiển cổ điển - Số lƣợng tiếp điểm chƣơng trình sử dụng khơng hạn chế - Thời gian hồn thành chu chình điều khiển nhanh ( vài mS) dẫn đến tăng cao tốc độ sản xuất - Chi phí lắp đặt thấp - Độ tin cậy cao - Chƣơng trình điều khiển in giấy vài phút thuận tiện cho vấn đề bảo trì sửa chữa hệ thống 1.2.3 Hệ thống điều khiển PLC S7 – 300 a Cấu trúc phần cứng hệ thống PLC S7 - 300 Thông thƣờng, để tăng tính mềm dẻo ứng dụng thực tế mà phần lớn đối tƣợng điều khiển có số tín hiệu đầu vào/ra nhƣ chủng loại tín hiệu vào /ra khác mà điều khiển PLC đƣợc thiết kế khơng bị cứng hóa cấu hình Chúng đƣợc chia nhỏ thành modul Số modul đƣợc sử dụng nhiều hay tuỳ theo yêu cầu công nghệ, song tối thiểu phải có modul modul CPU, modul chức chuyên dụng nhƣ PID, điều khiển động Chúng đƣợc gọi chung modul mở rộng Tất modul đƣợc gá ray (RACK) * Modul CPU Là modul có chứa vi xử lý, hệ điều hành, nhớ, thời gian, đếm, cổng truyền thơng (chuẩn truyền RS485) cịn có vài cổng vào /ra số (Digital) Các cổng vào có modul CPU đƣợc gọi cổng vào ONBOART Modul CPU bao gồm loại sau: CPU 312-IFM, CPU 313, CPU 314 , CPU 314 IFM, CPU 315, CPU 315-2DP, CPU 316, CPU 316-DP, CPU 318-2, CPU 614, CPU 614, CPU M7 * Các modul mở rộng: Các modul mở rộng đƣợc chia làm loại + PS (Power supply) module nguồn ni: có loại 2A, 5A, 10A + SM (Sigal module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra gồm: - DI (Digital Input): module mở rộng cổng vào số 8, 16 32 tuỳ thuộc vào loại module - DO (Digital Output): module mỏ rộng cổng số - DI/DO: module mở rộng cổng vào/ra số - AI (Analog Input): cổng vào tƣơng tự, chúng chuyển đổi tƣơng tự số 12 bits - AO (Analog Output) Module cổng tƣơng tự, chuyển đổi tƣơng tự (DA) - AI/AO: Module mở rộng cổng vào/ra tƣơng tự + IM (Interface Module) Module ghép nối: Là loại module chuyên dụng có nhiêm vụ nối nhóm module mở rộng lại vơi thành khối đƣợc quản ly chung module CPU Thông thƣờng module mở rộng đƣợc gá liền đỡ gọi Rack Mỗi Rack gá đƣợc nhiều module mở rộng (không kể module CPU, module nguồn nuôi) Một module CPU S7-300 làm việc nhiều với Rack Rack phải đƣợc nối với module IM Chƣơng 2: THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG TẠI NGÃ TƢ 2.1 Khảo sát hệ thống điều khiển hệ thống đèn giao thông ngã tƣ 2.1.1 Nguyên tắc điều khiển hoạt động hệ thống Tại ngã tƣ giao hai đƣờng lớn ngƣời ta có nhiều cách điều khiển pha Nhƣng cách điều khiển đƣợc sử dụng nhiều thực tế, ngun tắc hoạt động nhƣ sau: Hình 2.1 Mơ hình đèn ngun tắc điều khiển hướng Giả sử ta tham gia giao thông ngã tƣ Ta tham gia giao thông nhƣ sau: Khi có đèn xanh đƣờng chính, ta có quyền theo chiều mũi tên Hình 2.2 … Sau thời gian đặt cố định hệ thống điều khiển hoạt động Hệ thông chuyển từ đèn xanh đến đèn đỏ đƣờng Hệ thống đèn diều khiển trạng thái lần hai, ngƣời tham gia giao thông thực theo chiều mũi tên: 38 Hình 2.3 Khi hệ thống chuyển dịch đèn đỏ hệ thống đền phân nhánh rẽ Ngƣời tham gia giao thông dừng lại chuyển sang cho hệ thống đèn đƣờng khác: Hình 2.4 Sau vài giây chuyển sang đƣờng khác hoạt động theo nguyên tắc nhƣ đƣờng trên: Hình 2.5 2.1.2 Phương pháp điều khiển Rơ le trung gian Các loại rơle trung gian tự động điều khiển có đặc điểm chung là: - Tần số đóng ngắt lớn (1000 ÷ 1200 lần/giờ) nên u cầu có tuổi thọ cao - Có rơle điện xoay chiều rơle điện chiều, nhiều cơng suất tiêu thụ rơle (từ 0,1W ÷ 2W) nên lõi thép nam châm điện rơle điện xoay chiều đƣợc làm 39 giống nhƣ rơle điện chiều (lõi hình trụ trịn thép khối, thân nắp hút thép dẹt) khác cực từ lõi thép rơle xoay chiều có vịng ngắn mạch để chống rung, cịn lõi thép rơle chiều có mũ lõi Cuộn dây xoay chiều có số nhỏ cuộn dây chiều điện áp làm việc - Điện áp làm việc cuộn dây có loại: 6; 9; 12; 24; 48; 110; 220v - Dòng điện tải tiếp điểm rơle: 1; 3; 5A - Số lƣợng tiếp điểm thƣờng đóng thƣờng mở từ ữ tiếp điểm - Các đầu nối điện vào rơle đƣợc thực dạng chân cắm chân hàn đƣợc tiêu chuẩn hố Về kích thƣớc vị trí, đảm bảo tiếp xúc tốt, thuận tiện chế tạo, lắp đặt sửa chữa thay - Một số loại đƣợc đặt vỏ kín kim loại (thƣờng nhôm) môi trƣờng chân không, đảm bảo rơle làm việc tin cậy bền vững - Phần lớn rơle có vỏ hộp nhựa suốt, số loại có lắp kèm đèn tín hiệu LED màu đỏ xanh vàng để thị trạng thái làm việc rơle - Trên thị trƣờng có nhiều hãng sản xuất loại rơle trung gian hình dáng kích thƣớc cụ thể có khác Nhƣng nguyên lý cấu tạo thông số nhƣ - Cấu tạo rơ le trung gian nhƣ hình vẽ + Điện áp vào: 12VDC + Dòng điện định mức tiếp điểm: 10A + Số lƣợng tiếp điểm: có tiếp điểm thƣờng đóng tiếp điểm thƣờng mở + Đóng cắt Nguồn: 220 VAC, 10A 28 VDC, 10A + Công suất tiêu thụ: 1,6 W(DC) 40 2.1.3 Cấu hình chung thiết bị mơ Mơ hình gồm thiết bị sau: + Khung hộp làm sàn + Hệ thống cột bóng đèn + Hệ thống điều khiển Trong đó: Khung sàn: đƣợc làm gỗ, có kích thƣớc 85cm 85cm 10cm Đây nơi làm sàn để dung cột đèn đồng thời đặt linh kiện tồn hệ thống dây lịng khung - Hệ thống cột bóng: + Cột đƣợc làm Inox tổng số có cột: cột nhỏ cột lớn cho đƣờng Cột nhỏ có kích thƣớc: đƣờng kính 15cm, chiều cao 20cm Cột lớn có chiều cao 28cm Hình 2.6 + Hệ thống bóng: bao gồm 44 bóng phân làm loại, 12 bóng mầu vàng, 16 bóng mầu xanh, 16 bóng mầu đỏ Là loại bóng điện tử có cơng suất 4,4 W 41 2.1.4 Giản đồ thời gian Chú thích: Theo nguyên tắc hoạt động hệ thống đèn khó xác định đƣợc giản đồ thời gian hệ thống Do vậy, phải tìm đèn hoạt động khoảng thời gian nhóm vào rơ le Các thời gian đƣợc thời gian PLC điều khiển 2.2 Mạch điện điều khiển trạng thái hệ thống đèn Hệ thống hoạt động theo chu kỳ phải hoạt động qua 12 trạng thái 42 43 44 Hình 2.7 Chu trình hệ thơng đèn lại đƣợc lặp lại theo chu kỳ ban đầu 45 CHƢƠNG 3: MƠ PHỎNG CHƢƠNG TRÌNH Các bƣớc thực chƣơng trình mơ phỏng: - Khởi động phần mềm SIMATIC S7-300 Hình 3.1 - Khai báo đầu vào, Hình 3.2 - Viết code cho chƣơng trình 46 47 Mơ tả chƣơng trình: ấn start xanh hoạt động, xanh hoạt động giây mở cho vàng hoạt động Vàng hoạt động giây xanh hoạt động vàng tắt xanh hoạt động giây mở cho vàng Vàng hoạt động giây mở lại cho xanh vàng tắt - Tiến hành nạp code chạy chƣơng trình insert đầu (out put), đầu vào (in put) 48 Hình 3.3 - Kết mơ :khi đèn sáng tắt đầu (out put), đầu vào (in put) xuất dấu tích bít 0, 1, 2, 3, 49 Hình 3.4 50 LỜI KẾT Sau nhận đề tài chúng em xác định rõ nhiệm vụ trách nhiệm với đề tài đƣợc giao Qua việc nghiên cứu đề tài tham khảo tài liệu cộng kiến thức học, với giúp đỡ, hƣớng dẫn nhiệt tình giáo ThS Nguyễn Thị Phƣợng giúp đỡ bạn bè với lỗ lực thân đến đề tài chúng em hồn đƣợc thành Trong q trình hồn thành đề tài chúng em cịn nhiều sai sót cịn nhiều trƣờng hợp thực tế khơng giải đƣợc Chúng em mong thầy cô giáo bạn bè ngành đóng góp ý kiến cho chúng em để đề tài sau tốt Trong q trình hồn thành đề tài, chúng em trình bày cách ngắn gọn, dễ hiểu có hệ thống giúp cho bạn đƣợc thuận lợi cho trình nghiên cứu ứng dụng Chúng em mong thầy giáo bạn bè đóng góp ý kiến để chúng em hoàn thành tốt phần đƣợc giao sau Em xin chân thành cảm ơn cô giáo ThS Nguyễn Thị Phƣợng giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này! Hà Nội, Ngày….,Tháng…., Năm 2017 Sinh viên thực Nguyễn Văn Duy 51 Tài liệu tham khảo Ứng dụng PLC SIEMENS MOELLER tự động hố Nguyễn Tấn Phƣớc Nhà xuất TP Hồ chí Minh Tự Động Hố với Simentic S7-300 Nguyễn Dỗn Phƣớc, Phan Xuân Minh NXB KH-KT 2000 Phần mền Simen – LOGO Version 4.0 Lập trình PLC với S7 - 300 tác giả Nguyễn Xuân Công 52 ... chứng tỏ cho ngƣời thấy việc sử dụng đèn giao thông thiếu thời đại ngày Việc điều khiển đèn giao thơng có nhiều cách, dùng vi điều khiển, dùng PLC, đề tài mà em chọn ? ?Ứng dụng PLC thiết kế sơ đồ. .. pháp điều khiển lập trình đƣợc Các bƣớc thiết lập sơ đồ điều khiển lập trình: Hình 1.4 Lưu đồ thuật tốn điều khiển lập trình 1.2 Bộ điều khiển lập trình đƣợc (PLC) 1.2.1 Cấu trúc PLC Thiết bị điều. .. nối PLC 37 Chƣơng 2: THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THƠNG TẠI NGÃ TƢ 2.1 Khảo sát hệ thống điều khiển hệ thống đèn giao thông ngã tƣ 2.1.1 Nguyên tắc điều khiển hoạt động hệ thống Tại ngã