L ỜI CẢM ƠN
3.1 Tìm hiểu chung về PLC
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thời hay các sự kiện được đếm. Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộđiều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình.
Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng Rơle) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau: - Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học .
- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp. - Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các Module mở rộng.
- Giá cả có thể cạnh tranh được.
Các thiết kếđầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Rơle dây nối và các Logic thời gian. Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả… Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp. Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch… sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn… Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộPLC có dung lượng lớn, sốlượng I/O nhiều hơn.
47
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống. Chức năng mà bộđiều khiển cần thực hiện sẽđược xác định bởi một chương trình. Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này. Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC. Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay Rơle.
Hiện nay với sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử đã cho phép chế tạo các hệ vi xử lý liên tiếp, dựa trên cơ sở của bộ vi xử lý, các bộ điều khiển logic có khả năng lập trình được (PLC) đã ra đời, cho phép khắc phục được rất nhiều nhược điểm của các hệ điều khiển liên kết cứng trước đây, việc dùng PLC đã trở nên rất phổ biến trong công nghiệp tự động hoá. Có thể liệt kê các ưu điểm chính của việc sử dụng PLC gồm:
– Giảm đến 80% sốlượng dây nối. – Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp .
– Khảnăng tự chuẩn đoán giúp cho việc sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng. – Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình, khi không có các yêu cầu thay đổi các đầu vào ra thì không cần phải nâng cấp phần cứng.
– Giảm thiểu sốlượng rơle và timer so với hệđiều khiển cổđiển. – Không hạn chế sốlượng tiếp điểm sử dụng trong chương trình.
– Thời gian để một chu trình điều khiển hoàn thành chỉ mất vài ms, điều này làm tăng tốc độvà năng suất PLC.
– Chương trình điều khiển có thể được in ra giấy chỉ trong thời gian ngắn giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống.
– Chức năng lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học. – Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.
– Dung lượng lớn để có thể chứa được nhiều chương trình phức tạp. – Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.
48
– Dễ dàng kết nối được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, kết nối mạng Internet, các Module mở rộng.
– Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ. – Giá bán cạnh tranh.
3.1.2 Cấu trúc cơ bản của một PLC
a) Đơn vịđiều khiển trung tâm (CPU - Central Processing Unit):
Là bộ vi xử lý thực hiện các lệnh trong bộ nhớ của chương trình. Dữ liệu được nhập ở ngõ vào, xửlý chương trình, nhớchương trình, xử lý các kết quả trung gian sau đó các kết quả này sẽ được truyền trực tiếp đến cơ cấu chấp hành để thực hiện việc xuất dữ liệu ra ở các ngõ ra.
Hình 3.1: Cấu trúc cơ bản của PLC. b) Bộ nhớ (Memory):
Dùng để chứa chương trình lưu trữ số liệu, đơn vị nhỏ nhất là bit. Bộ nhớ là vùng lưu giữ hệđiều hành và vùng nhớ của người dùng (hệđiều hành là một phần mềm hệ thống mà nó kết nối PLC để PLC thực sự hoạt động được).
Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau. Để PLC có thể hoạt động được ta cần phải có bộ nhớ đểPLClưu trữ chương trình. Nhiều trường hợp cần mở rộng bộ nhớ để thực hiện thêm các chức năng khác.
49
- Vùng nhớđệm tạm thời sẽlưu trữ trạng thái của các kênh xuất – nhập được gọi là RAM xuất - nhập.
- Lưu trữ tạm thời trạng thái của các chức năng bên trong: các bộđịnh thời (Timer), các bộđếm (Counter), các Rơle.
Bộ nhớ gồm có các loại sau đây:
- Bộ nhớ chỉ đọc (ROM - Read Only Memory): Bộ nhớ ROM không phải là bộ nhớ khả biến, nó chỉ được lập trình 1 lần. Do đó bộ nhớ này không thích hợp cho việc điều khiển “mềm” của PLC vì vậy nó ít phổ biến hơn so với các loại bộ nhớ khác. - Bộ nhớ ghi đọc (RAM - Random Access Memory): Bộ nhớ của PLC là CMOSRAM, nó tiêu tốn ít năng lượng và được cấp pin dự phòng khi mất nguồn. Nhờđó dữ liệu sẽ không bị mất khi ngắt nguồn đột ngột.
- Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xóa được (EPROM - Erasable Programmable Read Only Memory): EPROM lưu trữ dữ liệu giống như bộ nhớ ROM, tuy nhiên dung lượng của nó có thểđược xóa đi nếu bị ảnh hưởng trực tiếp từ tia tử ngoại và khi đó ta phải viết lại toàn bộchương trình cho bộ nhớ.
- Bộ nhớ chỉ đọc chương trình sẽ được xóa được bằng điện (EEPROM - Electric Erasable Programmable Read Only Memory): Dữ liệu lưu trữ trên EEPROM có thể bị xóa và lập trình lại bằng điện, tuy nhiên nó sẽ giới hạn một số lần lập trình nhất định. c) Các Module xuất-nhập ( Input – Output):
Khối xuất – nhập đóng vai trò là mạch giao tiếp giữa vi mạch điện tử bên trong PLC với mạch ngoài. Module nhập nhận tín hiệu từ sensor và đưa vào trong CPU, module xuất sẽđưa tín hiệu điều khiển từCPU ra cơ cấu chấp hành. Mọi hoạt động xử lý tín hiệu từ bên trong PLC có mức điện áp từ 5 ÷ 15 VDC, trong khi tín hiệu bên ngoài có thể lớn hơn rất nhiều. Có nhiều loại ngõ ra như: ngõ ra dùng transistor, ngõ ra dùng triac, ngõ ra dùng rơle.
d) Hệ thống BUS:
Là hệ thống tập hợp một số dây dẫn kết nối các module trong PLC gọi là BUS, đây là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều tín hiệu song song với nhau.
50
3.2 Sơ lược về PLC S7-200 của Siemens 3.2.1 Giới thiệu phần cứng của PLC S7-200 3.2.1 Giới thiệu phần cứng của PLC S7-200
PLC S7-200 là một loại PLC cỡ nhỏ của công ty Siemens. Cấu trúc S7-200 gồm 1 CPU và các module mở rộng cho nhiều ứng dụng khác nhau. S7-200 gồm nhiều loại: CPU 221, 222, 224, 226….có nhiều nhất 7 module mở rộng khi có nhu cầu: tổng số ngõ vào/ra, ngõ vào/ra Analog, kết nối mạng (AS-I, Profibus).
Hình 3.2: Tổng quát một PLC S7-200.
51 Các đèn báo: Có 3 loại đèn báo hoạt động - RUN: đèn xanh báo hiệu PLC đang hoạt động.
- STOP: đèn vàng báo hiệu PLC đang không hoạt động (dừng). - SF (System Failure): đèn đỏ báo hiệu PLC đang bị sự cố. Có 2 loại đèn chỉ thị:
- Ix.x: chỉ trạng thái logic ngõ vào. - Qx.x: chỉ trạng thái logic ngõ ra. Đặc điểm ngõ vào: - Mức logic 1: 24VDC/7mA - Mức logic 0: đến 5VDC/1mA - Đápứng thời gian: 0.2ms - Cách ly quang: 500ACV - Địa chỉ ngõ vào: Ix.x Đặc điểm ngõ ra: - Điện áp tác động: 24-28VDC/2A
- Ngõ ra rơle hoặc transistor sourcing chịu quá dòng đến 7A. - Điện trở cách ly nhỏ nhất: 100mΩ
- Điện trở công tắc: 200mΩ
- Thời gian chuyển mạch tối đa: 10ms - Không có chếđộ bảo vệ ngắn mạch - Địa chỉ ngõ ra: Qx.x
- Điện áp nguồn: 20-24VDC - Dòng tối đa: 900mA
- Thời gian duy trì khi mất nguồn: 10ms - Cầu chì bên trong: 2A/250V
- Công tắc chọn mode
- Không có cách ly nguồn điện.
Mode công tắc chọn: có 3 vị trí lựa chọn công tắc - RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình.
52 - PLC sẽ dừng chương trình khi có sự cố.
- TERM: cho phép máy lập tình quyết định chếđộ hoạt động PLC. Cổng truyền thông:
- Sử dụng cổng RS485 để ghép nối với máy tính hoặc thiết bị khác. - Tốc độ truyền là: 9600 bauds
Hình 3.4: Cấu trúc cổng truyền thông RS485.
- Ghép nối PLC và máy tính sử dụng cáp PC/PPI chuyển đổi giữa RS232 và RS485 như hình sau:
53
3.2.2 Module mở rộng
Module analog là một công cụđể xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc xử lý các tín hiệu số.
- Analog input: Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D). Nó chuyển tín hiệu tương tự ở đầu vào thành các tín hiệu sốở đầu ra. Dùng để kết nối các thiết bị đo với bộđiều khiển. Ví dụnhư đo nhiệt độ, tốc độ.
- Analog output: cũng là một phần của module analog. Thực chất nó là một bộ biến đổi số - tương tự (D/A). Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào thành tín hiệu tương tự ở đầu ra. Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đo tương tự. Chẳng hạn như điều khiển Van mở với góc từ 0-100%, hay điều khiển tốc độ biến tần 0-50Hz.
Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc dòng điện. Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng… Vì vậy người ta cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này về tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến. Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input và tín hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của công nghiệp. Có 2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện:
- Điện áp: 0-10V, 0-5V, ±5V…
- Dòng điện: 4-20mA, 0-20mA, ±10mA…
Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn. Vì vậy người ta cần phải dùng thêm một thiết bị chuyển đổi để đưa chúng về chuẩn công nghiệp. Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộ cảm biến hoàn chỉnh, thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn là thiết bịđo và chuyển đổi đo (bộ transducer).
Các tín hiệu đầu ra của cảm biến sẽ được đưa vào các module analog đểđọc và đưa ra giá trịanalog tương ứng tùy theo độ phân giải của module.
54
Hình 3.6: Mô hình chuyển đổi tín hiệu.
Hầu hết các PLC đều phải có các công cụ hỗ trợ xử lý tín hiệu analog, đối với PLC S7-200 thì đó là các module analog. Module analog thực chất là các bộ biến đổi tương tự - số thực hiện việc chuyển đổi các tín hiệu tương tự sang số để thực hiện các hoạt động tính toán bên trong PLC. Có hai loại module tương ứng với các chức năng này là module đọc và xuất tín hiệu analog.
Đểđọc tín hiệu analog vào PLC ta cần có bộ chuyển đổi tín hiệu không điện thành tín hiệu điện (sensor nhiệt độ, áp suất…), bộ chuyển đổi tín hiệu điện tiêu chuẩn (PT350…) và module đầu vào analog. S7-200 hỗ trợ hai module đọc tín hiệu analog là EM231 và EM235.
3.3 Thiết kế hệ thống
3.3.1 Lựa chọn linh kiện và thiết bị
Dựa vào các nghiên cứu thực tế và lý thuyết, ta lựa chọn các thiết bị và linh kiện sau cho hệ thống turbine gió công suất 15-20kW:
- Động cơ quay bệ: 3P 380VAC/50Hz, 2.2kW ( Tốc độ 1500v/ph và có đảo chiều, tốc độ khá nhanh nên ta cần lắp thêm biến tần đểđiều khiển tốc độđộng cơ).
- Cảm biến đo hướng gió dạng chiết áp 3 chân, dải đo 0-3600.
- Cảm biến đo vận tốc gió: nguồn cấp 5VDC, tín hiệu ra dạng xung (10 xung/1s tương ứng với 1m/s).
55
- Hải cảm biến tiệm cận đểđo độ xoắn của dây cáp. - Ắc quy: 30 bình 50Ah.
- Module EM235: EM235 là một module tương tự gồm có 4AI và 1AO 12bit (có tích hợp các bộ chuyển đổi A/D và D/A 12bit ở bên trong).
Hình 3.7: Cấu trúc của module EM235.
Thành phần Mô tả
4 đầu vào tương tự được kí hiệu bởi các chữ cái A,B,C,D A+ , A- , RA Các đầu nối của đầu vào A B+ , B- , RB Các đầu nối của đầu vào B C+ , C- , RC Các đầu nối của đầu vào C D+ , D- , RD Các đầu nối của đầu vào D 1 đầu ra tương tự (MO,VO,IO) Các đầu nối của đầu ra
Gain Chỉnh hệ số khuếch đại
Offset Chỉnh trôi điểm không
Switch cấu hình Cho phép chọn dải đầu vào và độ phân giải
56 - PLC S7-200 CPU 224:
Hình 3.8: Cấu hình của PLC S7-200 CPU 224 AC/DC/Relay.
3.3.2 Mô hình và sơ đồ khối hệ thống
57
Hình 3.10: Điều khiển vòng kín. Yêu cầu của hệ thống:
- Quay động cơ lệch hướng gió góc α để tốc độ gió luôn bằng 7m/s. - Phanh turbine khi gió nằm ngoài khoảng 7-22m/s.
- Quay về 0 vòng xoắn khi gió bé hơn 7. - Nếu gió quá 22m/s thì quay vuông góc.
- Báo đèn khi xoắn quá sốvòng quy định, quay về 0. Ta có sơ đồ hoạt động khái quát như sau:
Hình 3.11: Sơ đồ hoạt động. Tín hiệu vào (Input):
AIW0: hướng gió I0.0: tốc độ gió I0.1: sensor thuận
58 I0.2: sensor ngược
I0.3: reset vòng xoắn Tín hiệu ra (Output): Q0.0: quay thuận Q0.1: quay ngược Q0.2: phanh bệ Q0.3: phanh turbine
Chương trình được xây dựng bằng phần mềm lập Step 7 MicroWin và được trình bày ở phần Phụ Lục.
Hình 3.12: Các khối tín hiệu vào – ra.
3.4 Kết luận chương
Cấu trúc bộ điều khiển PLC sử dụng S7 – 200, sơ đồtác động vào ra các tín hiệu ở hình 3.11 và 3.12, ngôn ngữ lập trình LADDER (LAD) viết trên Step7 (Phụ lục). Với các giá trị giới hạn đặt thay đổi, các kết quả tác động của bộ điều khiển PLC là hoàn toàn tin cậy. Tuy nhiên do thủ tục và kinh phí chưa cho phép nên bộ