Đồ án tốt nghiệp bộ mụn điều khiển tự động

Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động CHƯƠNGI: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ HỆ SIMATIC Giới thiêụ tổng quan hệ Simatic Trước hết ta tìm hiểu SIMATIC gì? SIMATIC _tự động hố tích hợp cách tổng thể SIMATIC giải pháp tự động hố tồn diện xây dựng phát triển hãng Simens Một hệ thống kết hợpp tất thiết bị phần cứng phần mềm nhằm đáp ứng nhiệm vụ, yêu cầu tự động hoá khác Trước SIMATIC thường hiểu cách đơn thiết bị diều khiển khả trình Hiện SIMATIC coi giảI pháp bao gồm yếu tố như: điều khiển, hệ thống bus truyền thông, phần mềm kỹ thuật, HMI, thiết bị vào/ra phân tán,IPC… Vậy SIMATIC giải pháp tự động hoá tổng thể nhờ yếu tố nào? -Phần quản lí liệu: Dữ liệu cần đưa vào lần trở thành thơng tin chung cho tồn nhà máy.Điều cho phép hạn chế lỗi truyền thông bất ổn định trước -Phần cài đặt cấu hình lập trình: Tất thiết bị hệ thống giải pháp tự động hoá cài đặt lập trình, khởi động thử nghiệm điều khiển nhờ sử dụng q trình tích hợp tồn tổng thể thống hệ thống theo module hoá Tất hoạt động giao diện với người vân hành cơng cụ kỹ thuật thích hợp I Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng PLC Tổng quan PLC: 1.1 Xuất xứ: PLC viết tắt từ Progammable Logic Control, thiết bị điều khiển logic khả trình xuất lần vào năm 1969 hãng ôtô củaMỹ Bắt đầu đơn giản logic tuý ứng dụng để điều khiển q trình cơng nghệ, chủ yếu điều khiển ON/OFF giống hệ thống rơle, công tắc tơ thông thường mà không điều khiển chất lượng hệ Từ xuất PLC cải tiến với tốc độ nhanh - năm 1974 PLCđã sử dụng nhiều vi xử lý mạchđịnh thời gian, đếm dung lượng nhớ - Năm 1976 giới thiệu hệ thống đưa tín hiệu vào từ xa - Năm 1977 dùng đến vi xử lý - Năm 1980 PLC phát triển khối vào thông minh nâng cao điều khiển thuận lợi qua viễn thông, nâng cao phát triển phần mềm, lập trình dùng máy tính cá nhân Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hồng Sơn - Đỗ Thị Thà Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động - Năm 1985 PLC ghép nối thành mạng PLC Ngày PLCđã cải tiến nhiều đáp ứng tất yêu cầu điều khiển như: Điều khiến số lượng (ON/OFF) Điều khiển chất luợng( thực mạch vòng phản hồi: U, I,ω, S) Thực chất PLC máy tính cơng nghiệp mà q trình điều khiển thể chương trình PLC thay hồn tồn phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơ le, công tắc tơ Chính PLC sử dụng rộng rãi cơng nghiệp, xem giải pháp điều khiển lý tưởng trình sản xuất 1.2 Vị trí, nhiệm vụ PLC hệ thống điều khiển: Trong hệ thống điều khiển PLC khâu trung gian có nhiệm vụ xử lý thơng tin đầu vào đưa tín hiệu tới thiết bị chấp hành 1.3 Ưu -nhược điểm PLC Ngày hầu hết máy công nghiệp thay hệ điều khiển rơ le thông thường, sử dụng bán dẫn điều khiển lập trình Ưu điểm: Giảm bớt trình ghép nối dây giảm giá thành đầu tư Giảm diện tích lắp đặt, hỏng hóc, làm việc tin cậy, tốc độ trình điều khiển nhanh, khả chống nhiễu tốt, bảo trì bảo dưỡng tốt có module chuẩn hố Nhược điểm: Chưa thích hợp cho trình điều khiển nhỏ (một vài đầu ra) dùng giá thành cao Ngôn ngữ hệ đóng ( ngơn ngữ hãng riêng ) nên khó thay 1.4 Cấu trúc PLC: Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control), viết tắt thành PLC, thiết bị cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển số thơng qua ngơn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể thuật tốn mạch số Như với chương trình điều khiển mình, PLC trở thành điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với PLC khác với máy tính) Tồn chương trình lưu nhớ nhớ PLC dạng khối chương trình (khối OB, FC hay FB) thực lặp theo chu kỳ vòng quét (scan) Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động Hình 1.1: Cấu trúc điều khiển PLC Để thực chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính máy tính, nghĩa phải có vi xử lý (CPU), hệ điều hành, nhớ để lưu chương trình điều khiển tất nhiên phải có cổng vào/ để giao tiếp với đối tượng điều khiển để trao đổi thơng tin với mơi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm khối chức đặc biệt khác đếm (Counter), thời gian (Timer)và khối hàm chun dụng Thơng thường để tăng tính mềm dẻo ứng dụng thực tế mà phần lớn đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào/ra khác mà điều khiển PLC thiết kế khơng cứng hố cấu hình Chúng chia nhỏ thành module Số module chia nhiều hay tuỳ theo tốn, song tối thiểu phải có module module CPU Các module cịn lại module nhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển, module chức chuyên dụng module PID, điều khiển động Chúng gọi chung modul mở rộng Tất module gá ray (Rack) Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động Hình1.2: Câú hình rack PLC S7-300 1.5 Ngơn ngữ lập trình phần mềm Phần mềm PLC có loại ngôn ngữ khác như: + Danh sách lệnh: STL + Sơ đồ bậc thang: LAD DE R + Sơ đồ khối chức năng: Block Function + Ngôn ngữ bậc cao II.Các giải pháp thiết kế điều khiển sở hệ SIMATIC Cấu trúc điều khiển tập trung MTĐK I/O … Phòng điều khiển trung tâm _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Hiện trường S A Phân đoạn S A Phân đoạn2 S A Phân đoạn n Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động Hình 1.3: cấu trúc điều khiển tập trung Khái niệm điều khiển tập trung việc sử dụng thiết bị điều khiển để điều khiển tồn q trình kĩ thuật Một hệ có cấu trúc tập trung hệ thống mà trình đo lường, điều khiển, cảnh báo, lưu trữ số liệu, chuẩn đoán thực trung tâm điều khiển Trung tâm điều khiển điều khioển số trực tiếp, máy tính lớn, máy tính cá nhân thiết bị điều khiển khả trình, ta dùng thống thuật ngữ thiết bị điều khiển Hệ thống điều khiển tập trung bao gồm thiết bị điều khiển, thu thập có chức thu nhận tín hiệu trường đưa lên máy tính trung tâm Các q trình thu nhận tín hiệu, xử lí thơng tin, giám sát q trình điều khiển trung tâm định Thông thường thiết bị điều khiển trung tâm cách xa trường Các thiết bị cảm biến cấu chấp hành nối trực tiếp, điểm điểm vào thiết bị điều khiển tập trung qua cổng vào/ra Thiết bị điều khiển tập trung ngồi việc thu nhận tín hiệu đo đưa định điều khiển đảm nhận nhiều chức khác chức nhận dạng, chuẩn đốn q trình, lưu giữ số liệu… Ưu –nhược điểm cấu trúc tập trung Ưu điểm Thích ứng cho ứng dụng tự động hố quy mơ vừa nhỏ, điều khiển máy móc thiết bị khoong mang tính chất phức tạp Cấu trúc đơn giản,dễ thực hiện, điểm đáng ý tập trung chức xử lí thơng tin thiết bị điều khiển nhất, phát huy điểm mạnh điều khiển Nhược điểm Độ tin cậy thấp phụ thuộc vào thiết bị điều khiển nhất, dùng giải pháp lắp thêm thiết bị điều khiển dự phòng dẫn đến chi phí cao Cơng việc nối dây phức tạp,giá thành cao Độ linh hoạt không cao, việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn Phạm vi ứng dụng hạn hẹp Cấu trúc điều khiển phân tán Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động MTĐK Phòng điều khiển trung tâm Bus hệ thống I/O A I/O S A A S S Quá trình kĩ thuật Hình 1.4: Cấu trúc điều khiển phân tán Do cấu trúc tập trung có hạn chế nên dây truyền sản xuất thường chia thành nhiều phân đoạn khác nhau, sử dụng nhiều thiết bị điều khiển, phân đoạn điều khiển nhiều thiết bị cục Các thiết bị cục đặt rải rác phòng điều khiển phân đoạn, phân xưởng, vị trí khơng xa với q trình kĩ thuật, bên cạnh q trình điều khiển tổng hợp cần phối hợp điều khiển máy tính điều khiển Các máy tính nối mạng với với nhiều máy tính giám sát trung tâm qua bus hệ thống Một hệ thống gọi hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán hay gọi hệ điều khiển phân tán (DCS) Hệ thống bao gồm module phân tán có chức điều khiển phân tán liên kết với theo hệ thống mạng tuân theo giao thức truyền thông công nghiệp Các module có nhiệm vụ thu thập tín hiệu đo lường, sử dụng hệ thống bus trường với kĩ thuật truyền tin số để truyền số liệu lên cấp điều khiển giám sát ngược lại Các module đồng thời nhận yêu cầu từ cấp điều khiển giám sát gửi số liệu trình để lưu trữ số liệu trên, điều khiển trực tiếp đối tượng cần, thực chức phân tán cơng đoạn phân tán, máy tính điều khiển Trạm điều khiển trung tâm có nhiệm vụ điều khiển, nhiệm vụ cho phần điều khiển riêng biệt sau giám sát q trình trực tiếp điều khiển thiết bị trình Ưu điểm cấu trúc điều khiển phân tán Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động Độ linh hoạt cao so với cấu trúc điều khiển truyền thống, dễ dàng mở rộng phát triển hệ thống Hiện độ tin cậy tổng thể hệ thống nâng cao nhờ phân tán chức xuống cấp Nâng cao tính thời gian thực, tiết kiệm dây dẫn, tính ổn định bền vững hệ thống tốt Sự phân tán chức xử lí thơng tin phối hợp điều khiển có giám sát từ trạm vận hành trung tâm mở khả ứng dụng mới, tích hợp tổng thể hệ thống lập trình cao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển theo công thức ghép nối với cấp điều hành sản xuất Do ưu điểm mà điều khiển phân tán ngày phát triển ứng dụng ngày nhiều lĩnh vực khác Các thành phần hệ điều khiển phân tán Cấu hình hệ điều khiển phân tán bao gồm thành phần sau: trạm điều khiển cục (Local Control Station, LCS), khối điều khiển cục (Local Control Unit, LCU), trạm trình (Prcess Station, PS) Các trạm vận hành (Operator Station, OS) Trạm kĩ thuật (Engieering Station, ES) công cụ phát triển Hệ thống truyền thông (Industrial Ethernet bus, system bus) Ngồi cịn thêm thành phần khác trạm vào/ra từ xa (Remote I/O station, điều khiển chuyên dụng) 3.1 Trạm điều khiển cục Các trạm điều khiển cục xác định theo cấu trúc module gồm thành phần Bộ cung cấp nguồn, khối xử lí trung tâm thơng thường có dự phịng Giao diện với bus hệ thống (cần có dự phịng) Giao diện với bus trường Các module vào/ra số tương tự, module vao/ra an toàn cháy nổ Một trạm điều khiển cục thường cài giao diện HART module ghép với phụ kiện Các thiết bị lắp tủ điều khiển với linh kiện khác Các tủ điều khiển thường đặt phòng điều khiển, phòng điện, bên cạnh phòng điều khiển trung tâm rải rác gần khu vực trường Trạm điều khiển cục đảm nhiệm chức như: Điều khiển q trình, điều khiển mạng vịng kín thuật toán PID, điều khiển tầng, hệ thống đại cịn cho phép điều khiển mờ, thích nghi, điều khiển dựa mơ hình Điều khiển trình tụ, điều khiển logic, điều khiển cơng thức, lưu giữ xử lí tín hiệu q trình, tạo thơng báo … 10 Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động Đây thành phần quan trọng hệ thống nên địi hỏi tính kiểm tra sửa lỗi cho phép lựa chọn cấu hình dự phòng Các yêu cầu quan trọng mặt kĩ thuật cho trạm điều khiển cục là: Tính thời gian thực Độ tin cậy tính sẵn sàng Lập trình thuận tiện, cho phép sử dụng/cài đặt thuật toán cao cấp Khả điều khiển lai ( liên tục, trình tự logic) 3.2 Trạm vận hành Trạm vân hành trạm kĩ thuật đặt phòng điều khiển trung tâm, trạm vận hành hoạt động song song độc lập với Trạm OS thực chức giao diện người máy HMI, bao gồm máy tính cá nhân (PC), bao gồm hệ thống phụ nối với DCS (như máy in, Card mạng …) Trạm vận hành cho phép hiển thị hình ảnh hệ thống, hiển thị hình ảnh đồ hoạ lưu đồ cơng nghệ, phím điều khiển, hỗ trợ vận hành hệ thống qua công cụ thao tác điều khiển, hệ thống hướng dẫn đạo hoạt động trợ giúp, tạo quản lí cơng thức điều khiển Xử lí kiện, cố, xử lí, lưu trữ quản lí liệu, chuẩn đốn hệ thống, hỗ trợ người vận hành bảo trì hệ thống, hỗ trợ lập báo cáo tự động Đa số trạm vận hành chạy Windows NT/2000 Unix Một trạm vân hành bố trí theo kiểu người sử dụng Các phần mềm trạm vận hành thường phải kèm đồng với hệ thống, hỗ trợ chuẩn phần mềm, chuẩn giao tiếp công nghiệp như: TCP/IP, DDE, OLE, ODBC, OPC 3.3 Trạm kỹ thuật công cụ phát triển Trạm kỹ thuật cho phép đặt cấu hình hệ thống, cài đặt cơng cụ phát triển, tạo theo dõi cấu hình ứng dụng điều khiển giao diện Người – Máy, đặt cấu hình tham số hố thiết bị trường, sử dụng khối chức sẵn có thư viện để tạo ứng dụng điều khiển theo phương pháp khai báo, đặt tham số ghép nối khối chức Một trạm kỹ thuật có tính chất như: tính hợp sẵn cơng cụ phát triển hệ thống, cho phép sử dụng ngơn ngữ lập trình FBD, CFC, SFC, cho phép giao diện với hệ thống cấp trên, cần có thư viện khối hàm chuyên dụng giúp cho việc thiết kế phát triển hệ thống ES thực chức phân vùng quản lý hệ thống Máy tính thực chức ES dùng chung với trạm vận hành Thực chất cần mở rộng hệ thống trạm ES cơng cụ đắc lực để thực 3.4 Bus hệ thống 11 Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động Bus hệ thống có chức nối mạng trung tâm điều khiển cục với trạm vận hành, trạm kĩ thuật, thường cần có cấu hình dự phịng Đặc điểm việc trao đổi thơng tin qua bus hệ thống lưu lượng thông tin lớn dẫn tới yêu cầu tốc độ đường truyền phải tương đối cao, địi hỏi tính thời gian thực không nghiêm ngặt bus trường, thời gian phản ứng thường yêu cầu phạm vi 0,1s trở lên 3.5 Bus trường trạm vào/ từ xa Đối với cấu trúc vào/ra phân tán, trạm điều khiển cục bổ xung thêm module giao diện bus để nối với trạm vào/ra từ xa (remote I/O station) số thiết bị trường thơng minh Các u cầu chung tính thời gian thời gian thực, mức độ đơn giản, giá thành thấp Ngồi ra, mơi trường dễ cháy nổ đòi hỏi yêu cầu kiểm tra khác chuẩn truyền dẫn, tính điện học, cáp truyền …Một trạmvào/ra từ xa có cấu trúc khơngkhác nhiều so với trạm điề khiển cục bộ, khác điểm khơng có khối xử lí trung tâm cho chức điều khiển Thường trạm vào/ra từ xa đặt gần với trình kỹ thuật, tiết kiệm cáp truyền đơn giản hoá cấu trúc hệ thống Các cấu trúc phân tán Tuỳ theo quan điểm mà nhìn nhận khái niệm phân tán nhiều góc độ khác nhau, ta phân tích cấu trúc phân tán theo cấu trúc: Vào/ra phân tán Bộ điều khiển phân tán Cấu trúc lai 4.1 Vào/ra phân tán Cấu trúc vào/ra tập trung với cách ghép nối điểm -điểm thể nhựơc điểm cần số lượng cáp nối lớn phương pháp truyền dẫn tín hiệu thiết bị trường thiết bị điều khiển dễ bị ảnh hưởng nhiễu, dẫn đến sai số, khơng xác Chính sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán với phương pháp bus trường khắc phục nhược điểm Cấu trúc vào/ra phân tán có nghĩa module vào/ra đẩy xuống cấp trường gần kề với cảm biến cấu chấp hành gọi vào/ra phân tán vào/ra từ xa (remote I/O) Ngoài cịn sử dụng cách ghép nối khác dùng cảm biến, cấu chấp hành thơng minh có khả nối mạng trực tiếp mà không cần dùng qua module vào/ra Các thiết bị thơng minh có khả xử lí giao thức truyền thông, đảm nhiệm số chức xử lí chỗ 12 Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hồng Sơn - Đỗ Thị Thà Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động lọc nhiễu, chỉnh định hay tự đặt chế độ, điểm làm việc, chí cịn thực nhiệm vụ điều khiển đơn giản Cấu trúc vào/ra phân tán, phương pháp sử dụng bus trường đem lại ưu điểm như: tiết kiệm dây dẫn, công lắp đặt nối dây giảm kích thước hộp điều khiển, tránh cồng kềnh, phức tạp có nhiều đầu vào/ra Cấu trúc cịn có ưu điểm khả ghép nối đơn giản tăng độ linh hoạt mà hệ thống nhờ sử dụng thiết bị có giao thức chuẩn Tuy nhiên có mặt hạn chế phụ thuộc vào thiết bị điều khiển dẫn đến độ tin cậy không cao, cấu trúc chưa đem lại độ linh hoạt cao, khả mở rộng hệ thống hạn chế… Trong cấu trúc điều khiển tập trung, hạn chế lớn phụ thuộc vào máy tính trung tâm để điều khiển Trong dây truyền sản xuất thường bao gồm nhiều phân đoạn nằm vị trí khác Với ứng dụng quy mô lớn, tập trung lớn truyền điều khiển vào máy tính trung tâm khó nên phân chia điều khiển cần thiết Điều tăng hiệu suất toàn thể hệ thống nhờ phân chia điều khiển cho thiết bị điều khiển khác, ta thấy rõ độ tin cậy tính linh hoạt hệ thống đựợc tăng lên rõ rệt Các thiết bị điều khiển trung tâm đặt nhiều nơi phòng điều khiển, phòng điện phân xưởng, phân đoạn khác vị trí khơng xa với trình kĩ thuật Các thiết bị điều khiển phối hợp máy tính điều khiển, giám sát trung tâm thông qua bus hệ thống, mạng Ethernet Sự phân tán chức điều khiển đem lại lợi ích bản: độ tin cậy tổng thể hệ thống tăng lên rõ rệt Nhưng tất nhiên cấu trúc phù hợp với ứng dụng quy mô lớn giá thành giải pháp, cịn với ứng dụng nhỏ khơng địi hỏi cao dùng điều khiển tập trung Như ta thấy hai cấu trúc chưa thực đem lại chức phân tán cách toàn diện, chưa đem lại tất lợi ưu điểm hệ thống điều khiển phân tán Để thể rõ ưu điểm độ tin cậy, độ linh hoạt cao, ta sử dụng cấu trúc lai: cấu trúc kết hợp hai cấu trúc nghĩa sử dụng điều khiển phân tán kết hợp với cấu trúc vào/ra phân tán (sử dụng bus hệ thống để kết nối điều khiển phân tán máy tính điều khiển giám sát bus trường để kết nối với module vào/ra phân tán hay thiết bị vào/ra phân tán) III.Giới thiệu PLC S7-300: PLC: Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control) loại thiết bị cho phép thực linh hoạt thuật toán điều khiển số thông qua 13 Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà ... Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động Hình 1.3: cấu trúc điều khiển tập trung Khái niệm điều khiển tập trung việc sử dụng thiết bị điều khiển để điều khiển tồn q trình... Thị Thà Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động Hình 1.1: Cấu trúc điều khiển PLC Để thực chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính máy tính, nghĩa phải có vi xử lý (CPU), hệ điều hành,.. .Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động - Năm 1985 PLC ghép nối thành mạng PLC Ngày PLCđã cải tiến nhiều đáp ứng tất yêu cầu điều khiển như: Điều khiến số lượng (ON/OFF) Điều khiển chất