3. Ph−ơng án cải tiến dây chuyền sản xuất thức ăn gia súc công ty cổ phần AP Hà Tây
3.3. lựa chọn hệ thống điều khiển tự động
3.3.1. Giải pháp kỹ thuật phần cứng hệ SIMATIC PLC- S7 200 3.3.1.1 Những khái niệm chung về PLC
Trong công nghiệp sản xuất thức ăn gia súc trên thế giới đ1 ứng dụng điều khiển tự động quá trình sản xuất từ cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970 (Mỹ) [12]. Khi công nghiệp phát triển, độ phức tạp của bài toán điều khiển ngày càng tăng, mạch dùng rơ le đ1 bắt đầu bộc lộ những hạn chế. Để giải quyết nhiệm vụ điều khiển phức tạp đó ng−ời ta có thể dùng hai cách: thực hiện bằng rơ le, khởi động từ, các mạch logic gồm các phần tử số hoặc thực hiện bằng thiết bị điều khiển logic khả trình đ−ợc viết tắt là PLC (Programmable Logic Control). Hệ điều khiển bằng rơ le không cho phép thực hiện linh hoạt khi thay đổi thứ tự lôgic các thiết bị trong mạch và không thể xử lý đ−ợc những thuật toán điều khiển phức tạp cũng nh− không l−u đ−ợc các số liệu trong quá trình sản xuất. Những hạn chế trên sẽ đ−ợc đáp ứng khi dùng thiết bị PLC. Toàn bộ ch−ơng trình điều khiển đ−ợc l−u nhớ trong bộ nhớ của PLC, ngoài ra PLC còn dễ kết nối với các thiết bị ngoại vi khác nh−: máy tính, các cảm biến, các rơ le, công tắc tơ...[7]
Một số −u điểm khi dùng PLC trong quá trình tự động hoá:
- Đấu nối các thiết bị với PLC đơn giản, rút ngắn thời gian lắp đặt công trình. - Dễ dàng thay đổi nội dung ch−ơng trình điều khiển theo yêu cầu công nghệ. - Kết cấu mạch điện sử dụng PLC nhỏ gọn.
- Dễ dàng thay đổi thiết kế nhờ phần mềm.
- ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng.
- Dễ bảo trì, các chỉ thị vào và ra giúp sử lý sự cố dễ dàng hơn, nhanh hơn. - Độ tin cậy cao.
- Chuẩn hoá đ−ợc phần cứng điều khiển.
- Thích ứng trong môi tr−ờng khắc nghiệt: nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động, tiếng ồn.[7]
a, Cấu trúc cơ bản của PLC
Một PLC có cấu trúc cơ bản gồm 3 khối: bộ xử lý, bộ nhớ, khối vào/ra.
- Bộ xử lý trung tâm: CPU (Central Processing Unit) có chức năng điều
khiển và quản lý tất cả các hoạt động bên trong PLC. Việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và khối vào/ra đ−ợc thực hiện thông qua hệ thống bus d−ới sự điều khiển của CPU.
- Bộ nhớ: bộ nhớ (Memory) có nhiệm vụ l−u ch−ơng trình điều khiển
đ−ợc lập bởi ng−ời dùng và các dữ liệu khác nh− cờ, thanh ghi tạm, trạng thái đầu vào, lệnh điều khiển đầu ra ...Nội dung của bộ nhớ đ−ợc m1 hoá d−ới dạng m1 nhị phân.
- Khối vào/ra (In/Out): có vai trò mạch giao tiếp cách ly giữa vi mạch
điện tử của PLC với các mạch có công suất lớn hơn ở bên ngoài. Nó thực hiện sự chuyển đổi các mức điện áp tín hiệu giữa bên ngoài và bên trong PLC. Khối vào/ra có thể kết nối đ−ợc với các thiết bị đóng/cắt có dòng điện nhỏ hơn 2A. Mỗi đơn vị vào ra có một địa chỉ duy nhất, trạng thái của các kênh vào/ra đ−ợc chỉ thị bởi các đèn LED trên PLC làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất tín hiệu dễ dàng hơn (khối vào/ ra còn đ−ợc gọi là các giao diện nhập/ xuất). Sơ đồ khối chức năng cơ bản của một PLC (hình 3.13).[5]
Hình 3.13 Sơ đồ khối chức năng cơ bản của PLC b. Thực hiện ch−ơng trình trong PLC
PLC thực hiện ch−ơng trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp đ−ợc gọi
là vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét đ−ợc bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện ch−ơng trình. Trong từng vòng quét, ch−ơng trình vừa thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối. Sau giai đoạn thực hiện ch−ơng trình là chuyển nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Trong quá trình làm việc PLC vừa thực hiện ch−ơng trình vừa cập nhật các đầu vào/ra. Quá trình này thực hiện liên tục không ngừng theo một vòng kín gọi là vòng quét (hình 3.14).
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện đ−ợc một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng đ−ợc thực hiện trong một khoảng thời gian nh− nhau.
Tín hiệu vào Khối nguồn công suất CPU Bộ nhớ Thiết bị lập Khối vào Khối ra Tín hiệu ra
Hình 3.14. Vòng quét ch−ơng trình
Có vòng quét đ−ợc thực hiện lâu, có vòng quét đ−ợc thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong ch−ơng trình đ−ợc thực hiện, vào khối l−ợng dữ liệu đ−ợc truyền thông...trong vòng quét đó. Thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của ch−ơng trình điều khiển trong PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của ch−ơng trình càng cao.[5], [6]
c. Ngôn ngữ lập trình
Các loại PLC nối chung th−ờng có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ các đối t−ợng sử dụng khác nhau. PLC S7 – 200 có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản, đ−ợc viết trong phần mềm STEP 7- Micro/WIN 32.[5], [6], [7], [13] - Liệt kê lệnh (STL- Statement List): là dạng ngô ngữ lập trình thông th−ờng của máy tính, các lệnh đ−ợc viết d−ới dạng văn bản. Một ch−ơng trình đ−ợc ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và có cấu trúc chung: “Tên lệnh” + “Toán hạng” Ví dụ: LD I0.0 LD I0.1 A I1.0 = Q0.1
- Sơ đồ hình thang (LAD- Ladder Logic): là dạng ngôn ngữ đồ hoạ dựa
Chuyển dữ liệu từ cổng vào tới vùng đệm ảo I
Thực hiện ch−ơng trình Truyền thông và kiểm
tra nội bộ
Chuyển dữ liệu từ vùng đệm ảo O tới cổng ra
trên các thành phần cơ bản là các tiếp điểm, cuộn dây và khối hàm. Các thành phần cơ bản này đ−ợc nối với nhau thành mạng hình thang. Ví dụ:
Dạng ngôn ngữ này có −u điểm dễ đọc, thích hợp đối với ng−ời quen thiết kế mạch điều khiển logic.
- Khối chức năng (FBD- Function Block Diagram): ngôn ngữ này đ−ợc
xây dựng trên cơ sở các khối logic AND, OR, và khối hàm BOX. Các khối này đ−ợc ghép với nhau tạo thành các mạch của ch−ơng trình. Ngôn ngữ này cũng có dạng đồ họa thuận lợi cho ng−ời có thói quen thiết kế mạch điều khiển số.
Ví dụ:
d. Ghép nối giữa PLC và thiết bị ngoại vi
Trong quá trình sử dụng, tuỳ theo mục đích ng−ời ta có thể sử dụng một hay nhiều PLC. Các PLC ghép nối với nhau tạo thành hệ thống PLC. Để PLC có thể giao tiếp đ−ợc với các thiết bị ngoại vi, cần có các bộ chuyển đổi RS – 232, RS - 485 bên ngoài. S7 200 dùng bộ chuyển đổi RS- 232/RS 485 để giao tiếp với máy tính cá nhân và dùng bộ chuyển đổi RS 485 để kết nối giữa các PLC trong mạng (hình 3.16). Đối với các máy lập trình chuyên dụng có thể không dùng đến bộ chuyển đổi.[11], [13]
I0.0 I0.1 I0.1 I1.0 Q0.1 OR I0.0 I0.1 I1.1 Q1.2 AND
Hình 3.15 Ghép nối giữa PLC và máy tính cá nhân
3.3.1.2 Các họ CPU S7-200 của SIEMENS
Hiện nay Siemens đ−ợc coi là một trong những h1ng điện tử hàng đầu
thế giới về tự động hóa. các thiết bị tự động của Siemens có chất l−ợng cao,
đa dạng và phong phú: từ công tắc, rơ le, bộ định giờ, bộ đếm, cảm biến...cho
đến các thiết bị điều khiển logic lập trình PLC. Siemens sản xuất nhiều loại
PLC khác nhau, nh−ng hiện nay ở Việt Nam, trong điều khiển tự động các dây chuyền vừa và nhỏ, th−ờng sử dụng nhiều nhất là loại CPU S7- 200. Đây là thiết bị điều khiển logic khả trình của h1ng SIEMENS (Đức), có cấu trúc theo kiểu môđul. Tuỳ thuộc vào quy mô và nhiệm vụ điều khiển có sử dụng thêm các mođul mở rộng ghép nối với CPU nhằm tăng số l−ợng các đầu vào/ra của bộ điều khiển...Hiện nay trên thị tr−ờng có nhiều loại S7-200 với các họ CPU khác nhau: CPU 212, CPU 214, CPU 222, CPU 224 có tính năng ngày càng đ−ợc cải tiến.[4], [13]
a, Họ CPU 221 và CPU 222
Bảng 3.7. Các thông số kỹ thuật cơ bản họ CPU 221 và CPU 222[13]
CPU 221 CPU 222 Loại 6ES7 211- 0AA23- 0XB0 6ES7 211- 0BA23- 0XB0 6ES7 212- 1AB23- 0XB0 6ES7 212- 0BB23- 0XB0
Nguồn cung cấp 24 VDC 100 ữ230 VAC 24VDC 100 ữ230 VAC Đầu vào 24 VDC 24 VDC 24 VDC 24 VDC
RS232 RS232 RS232