Thiết kế PLC dùng cho hệ thống điều khiển tự động

Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp “Thiết kế PLC” em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Hồng Quang Các số liệu thực nghiệm có kết hồn tồn với thực tế em làm Trong đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tham khảo, không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát hiệu có dấu hiệu chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm! Hà nội tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Đỗ Huy Nam: 20179534 Mục Lục MỤC LỤC Đỗ Huy Nam: 20179534 Lời nói đầu Lời nói đầu Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Hồng Quang giúp đỡ em nhiều trình làm đồ án giúp em hoàn thành đồ án Em gửi lời xin lỗi đến thầy nhiều lúc chúng em lơ chưa tập trung làm đồ án Về đồ án “THIẾT KẾ PLC”, đề tài hay phù hợp với chun ngành tự động hóa cơng nghiệp em theo học Hiện PLC thiết bị phổ thông môi trường công nghiệp ưu điểm vượt trội độ tin cậy cao, thực đề tài “THIẾT KẾ PLC” giúp em hiểu rõ hơn, nắm PLC cách thiết kế hệ thống, kiến chắn giúp ích chúng em nhiềucho cơng việc làm sau Tuy đồ án hoàn thành bước ban đầu PLC Tuy đồ án cịn nhiều thiếu xót em hy vọng hồn thiện đưa vào ứng dụng thực tế để hồn thành mục đích việc thiết kế sản phẩm đưa vào ứng dụng Đồ án “THIẾT KẾ PLC” gồm chương Chương Giới thiệu tổng quan PLC Chương Thiết kế phần cứng Chương Thiết kế phần mềm Chương Thực nghiệm Kèm theo phụ lục ghi đầy đủ code chương trình thực Em vui tốn ví dụ chúng em thực chạy yêu cầu đề Do kiến thức hạn chế Em mong nhận dạy hướng dẫn thầy cô để đề tài em có thêm kiến thức q báu hồn thiện đề tài Em xin chân thành cám ơn! Hà nội tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Đỗ Huy Nam Đỗ Huy Nam: 20179534 Chương Giới thiệu tổng quan PLC Chương Giới thiệu đề tài “Thiết kế PLC” Mục mục tiêu đề tài Với phát triển cơng nghiệp hóa đại hóa nay, thiết bị tự động hóa điều khiển tự động hóa yếu tố quan trọng để tăng suất hiệu công việc Một thiết bị thiết yếu cơng nghiệp PLC, PLC với ưu điểm vượt trội độ tin cậy cao, đơn giản hiệu trở lên phổ biến tất ngành công nghiệp Để nắm rõ hiểu PLC em chọn đề tài “Thiết kế PLC” để làm đồ án tốt nghiệp Mục tiêu đồ án - - Về phần cứng thiết kế board mạch PLC với ngõ vào, ngõ ra, điều khiển hệ logic có chức tương tự PLC hành thị trường Có khả mở rộng ngõ vào ngõ ra….tương lai truyền thơng mạng cơng nghiệp chức hồn thiện PLC hồn thiện Về chương trình Về phần mềm sử dụng phần mềm lập trình hãng, thiết kế chương trình để dịch code ladder từ chương trình viết code C nạp vào board PLC 1.1 PLC gì? Đỗ Huy Nam: 20179534 Chương Giới thiệu tổng quan PLC Hình 1.1 PLC số hãng Rocwell, Toshiba, Siemens, Omron, Mishubisi PLC (Programmable Logic Control) điều khiển logic khả trình, có khả thực linh hoạt thuật toán điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình Được chế tạo để thỏa mãn yêu cầu dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển, theo yêu cầu khác giữ nguyên phần cứng, dễ dàng lập trình, dễ dàng sửa chữa thay thế, hoạt động ổn định… PLC dùng để thay cho hệ thống rơ le cồng kềnh tạo nhóm kỹ sư hãng General Motors năm 1968 PLC ứng dụng lần công nghiệp ô tô năm 1969 đem lại ưu việt hẳn so với hệ thống điều khiển rơ le, PLC nhanh chóng mở rộng tất ngành công nghiệp sản xuất khác trở thành yếu tố quan trọng công nghiệp Ưu điểm nhược điểm Ưu điểm: - Hai ưu điểm trội PLC độ tin cậy cao khả lập trình dễ dàng Độ tin cậy cao vỏ làm vật liệu cứng, mạch thiết kế khả chống nhiễu, rung, chịu ẩm, dầu, bụi… môi trường khắc nghiệt Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu LAD, ngồi cịn có ngơn ngữ STL, FBD… Thay đổi chương trình đơn giản (tính linh hoạt cao) Giao diện trực quan có led báo trạng thái I/O rõ ràng Không cần đấu dây dùng hệ rơ le Lắp đặt đơn giản Khơng gian lắp đặt Mở rộng vào đơn giản Giá thành rẻ so với hệ nhiều rơ le (giá thành PLC tương đương 5-10 rơ le) Nhược điểm: - Giá thành cao so với hệ thống điều khiển đơn giản Cần có kiến thức chuyên mơn PLC Ngơn ngữ lập trình Ngơn ngữ phổ biến LADDER, thể logic mạch rơ le coi ngơn ngữ PLC: Hình 1.2 Câu lệnh dạng LAD PLC Siemens S7-200 Đỗ Huy Nam: 20179534 Chương Giới thiệu tổng quan PLC Ngôn ngữ STL sử dụng hơn, ngơn ngữ phù hợp với người quen lập trình vi xử lý Hình 1.3 Câu lệnh dạng STL PLC Siemens S7-200 1.2 Cấu trúc PLC Cấu trúc PLC gồm phần zlà khối xử lý trung tâm và, hệ thống giao tiếp vào Hình 1.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển PLC Khối xử lý trung tâm gồm vi xử lý (CPU) Hệ thống giao tiếp vào, gồm I/O để giao tiếp với đối tượng điều khiển trao đổi thông tin môi trường xung quanh Các đối tượng ngõ vào công tắc, cảm biến đối tượng ngõ động cơ, máy bơm, rơ le, xi lanh PLC gồm module sau 1.2.1 Module Nguồn Module nguồn có chức cung cấp điện áp cho CPU ngõ vào, ngõ Nguồn nuôi PLC từ 20.4VDC đến 28.8VDC 85VAC đến 264VAC (47-63Hz) 1.2.2 Module CPU xử lý trung tâm Module xử lý trung tâm có chức tiếp nhận thơng tin vào, lưu thơng tin vào vào nhớ đệm, tính tốn xử lý thơng tin, đưa thơng tin nhớ đệm, từ nhớ đệm xuất tín hiệu điều khiển đến ngõ Một chu kỳ từ nhận thông tin ngõ vào, xử lý xuất ngõ gọi vòng quét PLC PLC xử lý vòng quét theo bước Đỗ Huy Nam: 20179534 Chương Giới thiệu tổng quan PLC - Đọc ngõ vào, lưu giá trị đầu vào nhớ đệm Thực lệnh chương trình lưu giá trị vào vùng nhớ Xử lý yêu cầu truyền thông Thực tự chuẩn đoán CPU, kiểm tra đảm bảo PLC làm việc bình thường Xuất liệu Các liệu lưu vùng đệm xuất tới ngõ vật lý Hình 1.5 Vịng qt PLC Thời gian để CPU thực hết vịng chương trình gọi chu kỳ quét Một chu kỳ quét dài hay ngắn tùy thuộc vào độ dài chương trình (trung bình từ 1ms đến 100ms) 1.2.3 Module ngõ vào Module ngõ vào có chức nhận biết tín hiệu vào Đưa tín hiệu ngõ vào tới xử lý trung tâm đồng thời cách ly ngõ vào với xử lý trung tâm Module ngõ vào dạng logic “0”, “1” cơng tắc, cơng tắc hành trình cảm biến hồng ngoại, cảm biến tiệm cận, cảm biến kim loại, cảm biến áp suất … module vào cịn có dạng analog cảm biến lưu lượng, cảm biến nhiệt, vị trí, tốc độ… Ngõ vào DC AC Ngõ vào DC sử dụng nhiều ngõ vào DC có điện áp thấp hơn, an tồn loại cảm biến, công tắc thiết kế theo chuẩn ngõ DC Ngõ vào AC có ưu điểm nguồn AC có sẵn tín hiệu AC nhiễu Đỗ Huy Nam: 20179534 Chương Giới thiệu tổng quan PLC Hình 1.6 Sơ đồ mạch điện ngõ vào sử dụng nguồn cấp DC AC 1.2.4 Module ngõ Module có ngõ có chức đưa mức logic tới ngõ để điều khiển thiết bị Có dạng ngõ ngõ transistor, ngõ rơ le, ngõ triac Ngõ rơ le có ưu điểm sử dụng thiết bị cần điều khiển dạng xoay chiều chiều Các thiết bị cần điều khiển nối với ngõ động cơ, van khí nén, đèn báo, đèn chiếu sáng, chng báo Hình 1.7 Mạch ngõ với loại ngõ khác a) Ngõ transistor b) Ngõ relay c) Ngõ triac 1.3 Kết Luận PLC thiết bị phổ thơng hữu ích công nghiệp, với khả mạnh mẽ thay cho hệ rơ le cồng kềnh, có độ tin cậy cao, phương pháp lập trình đơn giản Cấu trúc PLC đơn giản gồm ngõ vào, ngõ ra, xử lý trung tâm đem lại hiệu tiện ích lớn Đề tài “Thiết kế PLC” đề tài hay giúp em trau dồi nhiều kiến thức thiết kế hệ thống, thiết kế mạch, tính tốn cơng suất, lập trình nhúng… Ở chương em thiết kế phần cứng phần mềm cho PLC Đỗ Huy Nam: 20179534 Chương Thiết kế phần cứng Chương Thiết kế phần cứng cho PLC Mục tiêu: Thiết kế board PLC gồm CPU, module nguồn, module vào, Hình 2.1 Sơ đồ khối cấu trúc PLC 2.1 Khối nguồn Chức năng: - Cấp nguồn cho CPU, cấp nguồn cho ngõ vào Yêu cầu: - Bộ nguồn thiết kế cho điện áp 24VDC 5VDC, chất lượng điện áp tốt 24V cung cấp nguồn cho ngõ vào, 5V cung cấp nguồn cho khối vi điều khiển Dòng cực đại 3A Có bảo vệ q dịng vượt q 2A Có hệ thống led báo Đỗ Huy Nam: 20179534 Chương Thiết kế phần cứng Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn Nguyên lý hoạt động mạch: - Điện áp 220VAC qua biến áp sau đưa qua chỉnh lưu cầu cho điện áp chiều 30VDC Cho tiếp qua tụ lọc C1, C2, C3 lọc phẳng Qua bảo vệ dòng vào IC LM2576 Điện áp khỏi LM2576 qua cực K ốt D2 sau qua lọc điện áp gồm tụ điện C4 cuộn cảm L1 Lúc điện áp đầu nằm khoảng 1,2VDC đến 50VDC Điện áp điều chỉnh qua biến trở VR2 (điều chỉnh 5V 24V) Mạch có khối bảo vệ led báo Bảo vệ dòng Nguyên lý điện áp cực B (U2) T1 lớn điện áp cực E (U3) T1 nên T1 dẫn Điều chỉnh biến trở cho sụt áp U4 so với U3 = 2V Chọn R2 = 1Ω Ở chế độ làm việc bình thường U5 lớn U4 nên T2 khơng dẫn, mạch hoạt động bình thường Khi dịng tải lớn 2A U5 nhỏ U4 nên T2 dẫn Lúc có điện áp đặt vào cực G TH1 làm cho TH1 dẫn Lúc điện áp theo chiều U1 - U2 GND làm ngắt mạch tải khỏi nguồn bảo vệ mạch Muốn mạch hoạt động lại khởi động lại, ngắt nguồn, reset mạch Tính tốn chọn thơng số linh kiện: - Biến áp loại 30V-3A Đi ốt chỉnh lưu phải chịu dòng 3A chọn ốt loại 1N5408-5A, 1000V Tụ lọc nguồn C1 chọn 1000uF Tụ lọc nguồn C2 chọn 470uF Tụ lọc nguồn C3 chọn 100uF - - - Chọn Transistor T1 loại Tip41C Điện áp max 100V Dòng điện Ic max 6A Hệ số khuyếh đại 75 Chọn Transistor T2 loại Tip42C Điện áp max 100V Dòng điện Ic max 6A Chọn Đi ốt D1 loại SR40 Điện áp chịu 40V Dòng max 5A Sụt áp ốt 0,7V Chọn biến trở VR1 = 10kΩ Đỗ Huy Nam: 20179534 10