5. Ngôn ngữ lập trình của PLC S7 200
3.2 Giao diện phần mềm WINCC
Hình 3.4: Giao diện làm việc của WINCC Chú thích:
1. Thanh MENU 2. Màn hình SCADA
3. Tạo Project 4. Thanh dụng cụ 5. Cửa sổ cài đặt
Điều khiển Cơ cấu chấp hành
Giám sát
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 1. Quy trình công nghệ.
Hình 4. 1: Lưu đồ sơ cấp quy trình.
Đề tài “Thiết kế và giám sát mô trộn và chiết rót nhiên liệu dùng PLC S7- 200” được vận hành tự động nhờ bộ điều khiển PLC.
Thông qua chương trình điều khiển, bộ điều khiển PLC lấy thông tin từ các thiết bị đầu vào, qua đó điều khiển các cơ cấu chấp hành ở ngõ ra theo yêu cầu đặt ra ban đầu.
Hệ thống kết hợp bình trộn và chiết rót thành 1 dây chuyền thống nhất. Mạch điều khiển trung tâm PLC của Siemens sử dụng S7-200: Điều khiển xuyên suốt hệ thống trộn, chiết rót. Bảng mạch hiển thị trạng thái hoạt động của hệ thống trên các đèn báo. Khi có sự cố xảy ra, hệ thống ngắt điện hoàn toàn tự động.
2. Yêu cầu thiết kế mô hình.
Mô hình được thiết kế phải đáp ứng những yêu cầu sau đây:
Về phần cơ khí: Các cơ cấu chấp hành lắp đặt chắc chắn đảm bảo cho quá trình hoạt động được trơn tru và ổn định. Kết cấu cơ khí thể hiện vị trí các cảm biến, nút nhấn, PLC, động cơ, băng tải,… thông qua giao diện WinCC.
Về phần điện: Thiết kế và thi công tủ điện, các cáp động cơ sắp xếp gọn gàng, đẹp mắt, hạn chế rò điện ra bề mặt và đảm bảo an toàn.
3. Thiết kế mô hình. 3.1 Sơ đồ khối
Hình 4.2: Sơ đồ khối của mô hình điều khiển
Chương trình: được lập trình code trong phần mềm STEP7 MICROWIN Bộ điều khiển PLC: nhận code từ chương trình sau để điều khiển các
ngõ ra và vào in/out
Nguồn: cung cấp điện áp 24V cho PLC
Input: là các ngõ vào của nút nhất và cảm biển
Output: là đầu ra của van điện từ, động cơ, role và đèn báo Mô hình sản phẩm được chia thành các phần như sau:
Phần 1: Tủ điện điều khiển và vận hành gồm CPU 224XP, bộ nguồn tổ ong, rơ le đóng ngắt, CB bảo vệ. Trên bảng điều khiển được bố trí các nút nhấn và đèn báo để hiển thị trạng thái hệ thống.
Phần 2: Cơ cấu chấp hành là toàn bộ mô hình, có thể duy chuyển và vệ sinh dễ dàng.
Phần 3: Hệ thống giám sát là hệ thống SCADA hiển thị trên màn hình máy tính.
3.2 Bảng vẽ cơ khí bằng phần mềm AUTO CAD
4. Lựa chọn thiết bị.
4.1 PLC S7 200 CPU 224XP
Bộ điều khiển S7–200 là PLC của hãng Siemens, với nhiều tính năng nổi trội bộ điều khiển cung cấp các giải pháp logic cho các ứng dụng điều khiển, PLC S7– 200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP. Với thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và một tập lệnh mạnh mẽ là giải pháp hoàn hảo cho những bài toán trong công nghiệp và dân dụng như: hệ thống băng tải, chiếu sáng, bơm cao áp, đóng gói, máy in..v.v.
Hình 4.4: PLC S7 200 CPU 224XP
Đặc tính kỹ thuật của bộ điều khiển S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RLY
Đặc tính CPU 224XP
Ngõ ra/vào Số 14 DI 24V DC; 10 DO 24V DC;
Tương tự 2 AI 0 - 10V DC
Nguồn cấp 24VAC
Kích thước 100x90x75mm
4.2 Hệ thống bồnBồn Chức năng Kích thƣớc Bồn Chức năng Kích thƣớc 1 Bồn nước Chiều rộng:15cm Chiều cao: 30cm. Thể tích: 5 lít 2 Bồn tạo mùi Chiều rộng:15cm Chiều cao: 30cm. Thể tích: 5 lít 3 Bồn tạo vị Chiều rộng:15cm Chiều cao: 30cm. Thể tích: 5 lít 4 Bồn trộn Chiều rộng: 30cm Chiều cao: 20cm Thể tích:12 lít Bảng 2.2: Hệ thống bồn
4.3 Khung mô hình
Hình 4.5: Khung mô hình
Kích thước:
- Khung chân đế: 100 x 50 (cm) (dài x rộng)
- Khung giữ bồn: 30 x 50 x 130 (cm) (dài x rộng x cao) Chất liệu: Sắt lỗ
Trọng lượng: 30kg
4.4.1 Cảm biến mực nước MH16P
Hình 4.6 Cảm biến mực nước MH16P
Loại cảm biến: dùng công tắc phao Điện áp sử dụng: 24VDC
Ứng dụng trong mô hình:
- Đóng cắt thiết bị theo mực nước
- Cơ cấu sử dụng hệ thống từ gồm công tắc từ và nam châm - Thân có ren kết hợp với đai ốc nhựa dùng để cố định cảm biến
4.4.2 Cảm biến quanga) Giới thiệu. a) Giới thiệu.
Cảm biến quang điện (Photoelectric Sensor) nói một cách nôm na, thực chất chúng là do các linh kiện quang điện tạo thành. Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của cảm biến quang, chúng sẽ thay đổi tính chất. Tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot (Cathode) khi có một lượng ánh sáng chiếu vào. Từ đó cảm biến sẽ đưa ra đầu ra để tác động theo yêu cầu công nghệ.
b) Phân loại.
Cảm biến quang thường được chia làm 3 loại:
Cảm biến quang thu phát (Through-beam sensor)
Cảm biến quang phản xạ gương (Retro – reflection sensor) Cảm biến quang khuếch tán (Diffuse reflection sensor)
c) Ưu điểm của cảm biến quang
Phát hiện vật thể nhưng không cần tiếp xúc với vật thể đó (Phát hiện từ xa)
Phát hiện được từ khoảng cách xa
Ít bị hao mòn, có tuổi thọ và độ chính xác, tính ổn định cao Phát hiện nhiều vật thể khác nhau
dụng
d) Ưu điểm của cảm biến quang
Hình 4.7: Sơ đồ đấu dây cảm biến loại 3 dây với PLC Loại PNP (nâu : V+ ,xanh : 0V ,đen : out V+)
Tùy vào điện áp nguồn cảm biến và điện áp input của PLC mà ta đấu Nếu cùng nguồn DC hoặc AC (nguồn cảm biến = nguồn input PLC) thì có thể đấu trực tiếp, có nghĩa là nối chân đen (out) trực tiếp vào ngõ vào
Nếu cảm biến nguồn DC, PLC input AC (nguồn cảm biến input PLC) hoặc ngược lại thì phải qua Relay trung gian (Relay có nguồn như cảm biến), lấy ngõ ra cảm biến đấu vào cuộn dây của Relay, ngõ còn lại của cuộn dây nối mass. Lấy tiếp điểm thường hở của Relay đưa vào PLC.
Loại NPN (nâu : V+ ,xanh :mass, đen : out 0V)
Phải dùng Relay trung gian (Relay có nguồn như cảm biến), lấy ngõ ra cảm biến đấu vào cuộn dây của Relay, ngõ còn lại của cuộn dây nối V+. Lấy tiếp điểm thường hở của Relay đưa vào PLC
Loại cảm biến NPN thuận lợi cho việc lập trình cho hệ thống do tính chất 1 chiều của nó, tức là khi nào cảm biến lên 1 thì nó sẽ trả về tín hiệu để xử lý.
e) Ứng dụng của cảm biến trong mô hình
Cảm biến quang trong mô hình được sử dụng nhằm mục đích phát hiện sản phẩm khi nó đi qua để đưa ra các tín hiệu cho PLC điều khiển hoạt động của băng tải cũng như động của hệ thống Van trong mô hình.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp: 24VDC. Dòng: 10mA.
Khoảng cách: 3-30cm. Kết nối:
Dây màu nâu: nối vào 24VDC
Dây màu xanh dương: nối vào GND.
Dây màu đen: tín hiệu NPN thường hở (tín hiệu ra bằng điện áp cấp nuôi cho cảm biến).
Nhiệt độ:-40-70oC
46 GVHD: PSG.TS Nguyễn Hùng
4.5 Bộ nguồn tổ ong
Bộ nguồn có chức năng cung cấp điện 24V cho các cảm biến trong mô hình và động cơ băng tải và động cơ trộn nhiên liệu.
Hình 4.9:Nguồn tổ ong
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thông số kỹ thuật:
Điện áp vào: 120-220VAC
Dòng đầu vào: 1.3A/115V 0.65A/230V
47 Phạm vi điều chỉnh điện áp: 21.6 – 26.4VDC Công suất: 50.4W Tần số: 47～63Hz Kích thước: 159×97×38mm Khối lượng: 0.5Kg
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của bộ nguồn 4.6 Các loại động cơ trong hệ thống.
Động cơ sử dụng trong mô hình bao gồm các loại động cơ DC chủ yếu là các động cơ công xuất nhỏ dung cho việc đóng nắp chai trộn dung dịch và kéo bang tải cũng như bơm nước rót vào chai.
a) Động cơ băng tải. Điện áp:24VDC.
Tốc độ :48rpm.
Công suất: 8W.
Hình 4.10: Động cơ băng tải.
Động cơ được sử dụng điều khiển băng tải để đưa chai vào vị trí chiết rót.
Động cơ có bộ giảm tốc và mô men lớn đảm bảo nhu cầu sử dụng trong mô hình. b) Động cơ trộn Điện áp:24VDC. Tốc độ động cơ: 6800rpm. Tốc độ qua hộp số: 150rpm. Công suất: 7W. Hình 4.11: Động cơ trộn.
Động cơ sử dụng để trộn điều nhiên liệu.
Động cơ có bộ giảm tốc mô men lớn đảm bảo nhu cầu sử dụng trong mô hình
4.7 Van điện từ.
Sử dụng trong hệ thống tưới tự động, điều khiển từ xa… là Van điều khiển đóng -mở bằng điện 24VDC. Trạng thái bình thường Van luôn đóng, khi cần mở Van thì cấp nguồn 24VDC cho Van.
Hình 4.12: Van điện từ. Điện áp điều khiển: 24VDC.
Đường kính ren trong: 21mm.
Nhiệt độ môi trƣờng làm việc: từ -5 đến 80oC
Trong mô hình Van được sử đụng để xả nước từ các bồn nhiên liệu vào bồn trộn và cho giai đoạn đoạn chiết rót.
.
Được sử dụng để báo trạng thái hoạt động của hệ thống gồm: Start, stop, báo hết bồn, băng tải hoạt động, động cơ trộn hoạt động.
Thông số kỹ thuật[4]:
- Đường kính: 22mm - Thương hiệu : APT - Dòng tiêu thụ : <=20mA - Màu sắc: đỏ, vàng , xanh - Kích thước : 50mm - Nguồn nuôi: 24V DC
4.9 Nút nhấn
Hình 4.14: Nút nhấn Thông số kỹ thuật[4]:
- Mã sản phẩm: LA38 - Điện áp tải Max: 24VDC - Dòng điện tải max: 10A - Màu sắc: Đỏ, Xanh lá. - Kích thước: 66x 36x 29mm - Khối lượng: 50g
- Phi: 22mm
4.10 CB bảo vệ
Được sử dụng để đóng ngắt ngắt nguôn điện cho tủ điện
Hình 4.15: CB bảo vệ Thông số kỹ thuật:
- Hãng sản xuất : Schneider - Số cực: 2P - Dòng điện định mức: 3A - Dòng cắt ngắn mạch: 3A - Điện áp định mức: 220V 4.11 Role kiếng Được dùng để đóng ngắt mạch điện Hình 4.16: Rơle Thông số kỹ thuật: - Dòng định mức: 5A - Điện áp định mức: 24VDC
4 Sơ đồ mạch điều khiển.
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN 1. Mạch động lực
Hình 5.1: Sơ đồ mạch động lực Họat động:
- Khi đóng CB điện 220VDC sẽ chạy vào mạch qua nguồn tổ ong chuyển đổi thành 24VDC để cấp nguồn cho các thiết bị cơ khí và PLC
- Các thiết bị cơ khí sẽ đóng ngắt theo thứ tự thông qua PLC điều khiển: + Đầu tiên VAN1 và CBLL1 sẽ đóng đến định mức cho sẵn của CBLL1 thì VAN1 ngắt.
+ Thứ 2 VAN2 và CBLL2 sẽ đóng đến định mức cho sẵn của CBLL2 thì VAN2 ngắt.
+ Thứ 3 VAN3 và CBLL3 sẽ đóng đến định mức cho sẵn của CBLL3 thì VAN3 ngắt.
+ Thứ 4 DC TRON đóng trong thời gian 15s sau đó ngắt.
+ Thứ 5 DC BANG TAI đóng khi chai đưa vào vị trí có CBCH đóng thì DC BANG TAI ngắt, lúc này VANCR đóng đến định mức cho sẵn của CBLLR thì VANCR ngắt DC BANG TAI đóng tiếp cho đến khi chai tiếp vào CBCH và lắp lại đến lúc hết bồn.
+ Thứ 6 lúc hết bồn thì CBHET ngắt hệ thống lặp lại. + Thứ 7 chai qua CBDEM thì CBDEM đóng đếm 1 xung.
Bảng chú thích các từ viết tắt trong mạch:
Từ viết tắt Ý nghĩa
DC TRON Động cơ trộn
DC BANG TAI Động cơ băng tải
CBLL2 Cảm biến lưu lượng bồn 2
CBLL3 Cảm biến lưu lượng bồn 3
CBLLR Cảm biến lưu lượng chiếc rót
VANCR Van điện từ chiếc rót
CBCH Cảm biến có chai
CBDEM Cảm biến đếm
VAN1 Van điện từ bồn 1
VAN2 Van điện từ bồn 2
VAN3 Van điện từ bồn 3
2. Mạch điều khiển
Hình 5.2: Mạch điều khiển Hoạt động:
- I0.0 là đầu vào của nút start, Khi ấn Start thì tín hiệu vào PLC để điều khiển các ngõ ra của Q0.0 (van 1), Q0.1 (van 2), Q0.2 (van3), Q0.3 (vanCR), Q0.4 (TRON), Q0.5 (BTAI), Q0.6 (STR), đồng thời ngõ ra Q0.6 (STR) xuất ra đèn START sáng.
- Khi nhấn stop tín hiệu vào ngõ I0.1 lúc này PLC dừng toàn bộ toàn hoạt động ở ngõ ra của Q0.0 (van 1), Q0.1 (van 2), Q0.2 (van3), Q0.3 (vanCR), Q0.4 (TRON), Q0.5 (BTAI), Q0.6 (STR), đồng thời ngõ ra Q0.7 (STOP) xuất ra đèn STOP sáng.
- Nhấn Reset tín hiệu vào ngõ I0.2 PLC reset toàn bộ chương trình.
- Khi tiếp điểm thường mở của CBTC đóng khi có chai đi qua tín hiệu vào ngõ I0.3 PLC điều khiển băng tải dừng lại để chiếc rót.
- Khi tiếp điểm thường mở của CBHN khi bồn hết nước tín hiệu vào ngõ I0.4 PLC điều khiển ngõ ra Q1.0 (HBON) xuất ra đèn bào hết bồn.
- CBLL1, CBLL2, CBLL3, CBLL4 là tín hiệu ngõ vào lần lượt I0.5, I0.6, I0.7, I1.0 sẽ đóng ngắt các van điện từ ở ngõ ra của Q0.0 (van 1), Q0.1 (van 2), Q0.2 (van3), Q0.3 (vanCR) theo xung của PLC lập trình sẵn.
- CBSL là tín hiệu ngõ vào của I1.1 khi có vật đi qua tiếp điểm thường mở sẽ chuyển thành tiếp điểm thường đóng đồng thời đếm lên 1 xung trong PLC từ đó suy ra số lượng chai chiết rót.
- Khi xuất tín hiệu ở ngõ ra Q0.4 thì dòng điện đi vào rơ le TRON lúc này tiếp điểm thường mở của TRON và DT sẽ đóng điều khiển động cơ trộn hoạt động và đèn báo động cơ trộn sáng.
- Khi xuất tín hiệu ở ngõ ra Q0.5 thì dòng điện đi vào rơ le BTAI lúc này tiếp điểm thường mở của BTAI và DBT sẽ đóng điều khiển động cơ băng tải hoạt động chạy và đèn báo động cơ băng tải sáng.
- Khi xoay nút ESTOP tiếp điểm thường đóng của nút ESTOP chuyển thành tiếp thường mở ngắt toàn bộ mạch ra khỏi nguồn.
Bảng chú thích các từ viết tắt trong mạch:
Từ viết tắt Ý nghĩa
START Nút nhấn bắt đầu
STOP Nút nhấn dừng
CBTC Cảm biến chai
CBHN Cảm biến hết bồn
CBLL1 Cảm biến lưu lượng 1
CBLL2 Cảm biến lưu lượng 2
CBLL3 Cảm biến lưu lượng 3
CBLL4 Cảm biến lưu lượng chiếc rót
CBSL Cảm biến số lượng chai
VAN1 Van điện từ 1
VAN2 Van điện từ 2
VAN3 Van điện từ 3
VANCR Van điện từ chiết rót
DT Đèn báo động cơ trộn hoạt động
DBT Đèn báo động cơ băng tải hoạt động
STR Đèn báo bắt đầu
HBON Đèn báo hết bồn
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 1. Yêu cầu thiết kế chương trình.
Trong phần thiết kế chương trình đề tài cần phải thực hiện được những việc sau:
Xây dựng lưu đồ giải thuật.
Viết chương trình điều khiển mô hình bằng phần mềm STEP7 MICRO WIN.
2. Hệ thống ngõ vào ra (I/O PLC).
Sau đây là thống kê tài nguyên các hệ thống ngõ vào ra trong PLC và các thiết bị
Các ngõ vào ra được kí hiệu đánh số để dễ dàng phân biệt. Mỗi thiết bị trong mô hình được liên kết với PLC thông qua các ngõ vào ra của PLC.
STT I/O Miêu tả
1 I0.0 Nút nhấn START(khởi động hệ thống).
2 I0.1 Nút nhấn STOP(dừng hệ thống).
3 I0.2 Nút nhấn RESET
4 I0.3 CBTC (cảm biến chai)
5 I0.4 CB_het_nuoc (cảm biến hết bồn)
6 I0.5 CBLL_van1 (cảm biến lưu lượng van 1)
8 I0.7 CBLL_van1 (cảm biến lưu lượng van 3) 9 I1.0 CBLL_van1 (cảm biến lưu lượng van chiết rót)
10 I1.1 CB_so_luon (cảm biến số lượng)
11 Q0.0 Van 1
12 Q0.1 Van 2
13 Q0.2 Van 3
14 Q0.3 Van 4 (van chiết rót)
15 Q0.4 DC_tron (động cơ trộn)
16 Q0.5 DC_btai (động cơ băng tải)
17 Q0.6 Den_start (đèn bắt đầu)
18 Q0.7 Den_stop (đèn dừng)
19 Q1.0 Den_hetbon (đèn báo hết bồn)
Bảng 3. 1: Bảng hệ thống ngõ vào ra đƣợc sử dụng 3. Nguyên lí hoạt động của dây chuyền.
Hệ thống gồm 2 giai đoạn chính.
3.1 Giai đoạn trộn nhiên liệu.
Chương trình PLC điều khiển van điện tử để điều tiết lượng nước từ 3 bồn nguyên liệu đưa vào bồn trộn theo tỉ lệ được cài đặt trước.
Khi nhấn START hệ thống bắt đầu hoạt động.
Trong quá trình xả nhiên liệu vào bồn trộn hệ thống phần mềm SCADA sẽ giám