4. Cấu trúc của luận văn
3.4.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Trong phạm vi luận văn thực hiện xây dựng quá trình điều khiển nhiệt cho hệ thống sấy gỗ với các thông số lò:
1:Quạt đẩy ; 2: Thiết bị gia nhiệt; 3: Gỗ 4;Vòi phun ẩm; 5: Cửa lò; 6: Cảm biến nhiệt; 7: Cửa xả ẩm; 8: Bộ phun ẩm; 9: Tủ điện điều khiển
Nhƣ đã trình bày ở trên, luận văn thực hiện nghiên cứu ứng dụng bộ điều chỉnh PID với các hàm chuyên dụng sẵn có trong bộ PLC để thực hiện điều khiển nhiệt độ quá trình sấy. Quá trình điều khiển hệ thống bao gồm:
Các điều kiện an toàn thực hiện vận hành lò sấy.
Điều khiển quá trình gia nhiệt: Dây điện trở đƣợc cấp nguồn qua Triac Điều khiển quạt thổi nhiệt vào lò sấy và quạt đẩy nhiệt đối lƣu trong lò. Điều khiển phun ẩm trong các giai đoạn sấy.
+ Thu thập và ổn định nhiệt độ trong quá trình sấy.
Để thực hiện điều khiển phối hợp các quá trình trên có thể triển khai trên nhiều bộ điều khiển, song theo phân tích ở phần trên căn cứ vào sự ƣu việt của thiết bị điều khiển có lập trình PLC, luận văn thực hiện ứng dụng bộ PLC hãng Siemens
Ta có thể ra lệnh cho PLC bắt đầu thực hiện chƣơng trình trình điều khiển cũng có thể giám sát hoạt động của hệ thống nhƣ trạng thái của PLC, trạng thái của lò, trạng thái của từng khâu, hiển thị dữ liệu trạng thái hệ thống....
4 5 1 2 3 6 8 6 9 7
60
Hình 3.10. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển giám sát quá trình sấy dùng PLC
Hình 3.11. Sơ đồ điều khiển của hệ thống
1:Điều khiển bơm phun sương; 2: Điều khiển quạt đẩy; 3: Điều khiển gia nhiệt; 4: Điều khiển quạt đối lưu; 5: Thu thập tín hiệu nhiệt độ; 6: Thu thập tín hiệu an toàn vận hành
Căn cứ vào sơ đồ lò sấy, cấu trúc điều khiển và sơ đồ khối ta có sơ đồ khống chế hệ thống với sơ đồ cấu trúc điều khiển nhƣ hình 3.10
3.4.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển chương trình chính.(Hình 3.11)
Giải thích lƣu đồ giải thuật điều khiển :
5 6 7 7 8 PS CPU DI D0 AI A0 HMI KD CS DK TG Thiết bị gia nhiệt Cảm biến nhiệt độ PLC ĐK & KĐ
công suất Lò sấy Quạt thổi nhiệt Màn hình HMI ĐK & Đặt nhiệt độ
61
1- Khi nạp chƣơng trình từ máy tính xuống, chuyển PLC sang chế độ RUN, PLC sẽ kiểm tra các điều kiện an toàn của hệ thống, khi các điều kiện an toàn cho phép chƣơng trình sẽ đƣợc thiết lập các thông số ban đầu
2- Chƣơng trình cho phép đặt nhiệt độ sấy, chế độ sấy. 3- Thiết lập thông số cho bộ điều khiển của PLC.
4- Hệ thống sẽ đƣợc khởi động: Nếu các điều kiện vận hành cho phép làm việc quá chƣơng trình sẽ thực hiện gia nhiệt, quạt thổi và phun ẩm theo giai đoạn sấy.
5- Quá trình làm việc bộ điều khiển thực hiện nhận tín hiệu nhiệt độ qua cảm biến nhiệt độ, thông qua bộ điều chỉnh PID thực hiện điều khiển nhiệt độ trong các giai đoạn sấy
6- Kết thúc một vòng điều khiển
3.4.3 Điều khiển quá trình gia nhiệt.
Thực hiện điều khiển quá trình gia nhiệt cho lò ta sử dụng bộ gia nhiệt điện trở với công suất 10KW- 220V ta sử dụng Triac EFS-9253- 25A, với sơ đồ nguyên lý nhƣ hình 3.12. Tạo góc mở cho triac, sử dụng IC chuyên dụng TCA 785, TCA785 có mạch tạo xung răng cƣa tần số 100MHz trùng pha với điện áp nguồn và 1 bộ so sánh tín hiệu xung răng cƣa với tín hiệu điều khiển nhận đƣợc từ đầu ra của PLC. Tại thời điểm xung răng cƣa và điện áp điều khiển bằng nhau thì có 1 xung hẹp đƣợc phát tới chân 14 và chân 15, tín hiệu này đƣợc đƣa vào cuộn sơ cấp của ghép quang opto, xung mà đầu ra của nó đƣợc sử dụng để điều khiển góc mở cho van.
62
Hình 3.12. Lưu đồ thuật toán quá trình điều khiển
Đặt nhiệt độ, thời gian sấy
Đặt thông số PID
Khởi động hệ thống
Gia nhiệt
Giám sát trạng thái và các thống số Bắt đầu
Kiểm tra điều kiện chạy
Kết thúc Kiểm tra điều
an toàn
Đọc nhiệt độ từ lò
63
3.4.4 Điều khiển quạt thổi nhiệt vào lò sấy và quạt đẩy nhiệt đối lưu trong lò.
Thực hiện điều khiển quá trình quạt gió thổi nhiệt cho lò, ta sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha 380V-2KW đƣợc đóng mở qua công tắc tơ, khống chế bởi bộ điều khiển lập trình PLC
3.4.5 Điều khiển phun ẩm trong các giai đoạn sấy.
Thực hiện điều khiển quá trình phun ẩm cho lò, ta sử dụng động cơ bơm là động cơ không đồng bộ 3 pha 380V-1KW đƣợc đóng mở qua công tắc tơ, khống chế bởi bộ điều khiển lập trình PLC
3.4.6 Thu thập và ổn định nhiệt độ trong quá trình sấy.
Thực hiện thu thập nhiệt độ lò (nhiệt độ sấy 40-800C) nên ta sử dụng cảm biến nhiệt độ PT100( nhiệt độ C) số điểm đo (theo diện tích lò 7.000 x 4.000 x 3.800 mm) ta thực hiện 06 điểm đ, tín hiệu này đƣợc đƣa về PLC làm tín hiệu phản hồi cho quá trình điều khiển nhiệt độ trong lò.
64
Hình.3.14. Sơ đồ kết nối PLC điều khiển nhiệt độ lò
3.5 Chương t ình điều khiển
3.5.1 Quy ước địa chỉ vào ra
Bảng 3.1 Quy ước địa chỉ đầu vào/ ra
TT Chức năng Địa chỉ PLC HMI Ghi chú 1 Chọn chế độ MAN/AUTO I0.0 M0.0
2 Chạy I0.1 M0.1
3 Dừng I0.2 M0.2
4 Gia nhiệt (tay CHẠY I0.3 M0.3
5 DỪNG I0.4 M0.4
6 Quạt đẩy (tay CHẠY I0.5 M0.5
7 DỪNG I0.6 M0.6
8 Phun ẩm (tay CHẠY I0.7 M0.7
9 DỪNG I1.0 M1.0
10 Cửa lò mở I1.1 M1.1
11 Quá tải quạt I1.2 M1.2
12 Quá nhiệt I1.3 M1.3
13 Nhiệt độ đặt MD100
14 Nhiệt độ thực tế MD110 15 Tín hiệu cảm biến PIW2 16 Tín hiệu ra điều khiển TCA785 PQW2
Triac AC 220V TCA 785 PQW 5 Lò sấy Dây điện trở PLC CB nhiệt độ PT100 FC 105 FB41 PIW 5
65
17 Điều khiển quạt đẩy Q0.0 18 Điều khiển bơm ẩm Q0.1 19 Điều khiển cấp nguồn thiết bị dây
điện trở
Q0.2
3.5.2 Chương trình điều khiển
66
67
Nhận xét:
- Từ chƣơng trình điều khiển với các khối PID trong PLC, sử dụng công cụ giám sát thông số ta nhận đƣợc đồ thị trong quá trình mô phỏng nhƣ sau:
68
Qua đồ thị nhận thấy khi có sự biến đổi của đầu ra ( nhiệt độ lò), bộ PID sẽ thực hiện điều chỉnh đầu ra nhằm ổn định đầu ra cho hệ thống.
Kết luận chương 3
Trên cơ sở của một hệ thống sấy gỗ theo phƣơng pháp sấy nóng cụ thể, chƣơng 3 luận văn đã thực hiện ứng dụng bộ PLC Siemens S7-300 xây dựng chƣơng trình điều khiền quá trinh sấy trong lò sấy, qua đây đã ứng dụng đƣợc chức năng của bộ PID trong PLC Siemens S7-300 thực hiện điều khiển nhiệt độ của lò đảm bảo độ sai lệch cho phép.
Trong chƣơng 4 luận văn sẽ thực hiện việc giám sát trạng thái làm việc của lò bằng phần mềmWinCC.
69
CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT QUÁ TRÌNH SẤY Việc xây dựng chƣơng trình giám sát hệ thống trong công nghiệp có thể thực hiện dƣới hỗ trợ của các phần mềm chuyên dụng, đi đôi với thiết bị, Siemens cung cấp một phần mềm giám sát có tính ổn định và linh hoạt có thể giám sát và điều khiển thông qua máy tính, mạng và trực tiếp trên màn hình cảm ứng HMI
4.1 Tổng quan về phần mềm WinCC
4.1.1. Khái khoát chung
WinCC (Windows Control Center - Trung tâm điều khiển trên nền Windows), cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft nhƣ Windows NT và Windows 2000. Trong dòng các sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát.
Một trong những đặc điểm của WinCC là đặc tính mở. Nó có thể sử dụng một cách dễ dàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm của ngƣời sử dụng, tạo nên giao diện ngƣời - máy đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác. Những nhà cung cấp hệ thống có thể phát triển ứng dụng của họ thông qua giao diện mở của WinCC nhƣ một nền tảng để mở rộng hệ thống.
Hình 4.1. Đặc tính mở của phần mềm WinCC
WinCC kết hợp các bí quyết của hãng Siemens - công ty hàng đầu trong tự động hoá quá trình và Microsoft - công ty hàng đầu trong việc phát triển phần mềm cho PC.
Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô toàn công ty nhƣ: việc tích hợp với những hệ thống cấp cao MES (Manufacturing Excution System - hệ thống quản lý việc thực hiện sản xuất) và ERP (Enterprise Resource Planning). WinCC
70
cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemenscó mặt khắp nơi trên thế giới.
4.1.2. Các đặc điểm chính
* Sử dụng công nghệ phần mềm tiên tiến
WinCC sử dụng công nghệ phần mềm mới nhất. Nhờ sự cộng tác của Siemens và Microsoft, ngƣời dùng có thể yên tâm với sự phát triển của công nghệ phần mềm mà Microsoft là ngƣời dẫn đầu.
* Hệ thống khách chủ với các chức năng SCADA
Ngay từ hệ thống WinCC cơ sở đã có thể cung cấp tất cả các chức năng để ngƣời dùng có thể khởi động các yêu cầu hiển thị phức tạp. Việc gọi những hình ảnh (picture), các cảnh báo (alarm , đồ thị trạng thái (trend), các báo cáo (report) có thể dễ dàng đƣợc thiết lập.
* Có thể nâng cấp mở rộng dễ dàng từ đơn giản đến phức tạp
WinCC là một module trong hệ thống tự động hoá, vì thế, có thể sử dụng nó để mở rộng hệ thống một cách linh hoạt từ đơn giản đến phức tạp từ hệ thống với một máy tính giám sát tới hệ thống nhiều máy giám sát, hay hệ thống có cấu trúc phân tán với nhiều máy chủ (server).
Có thể phát triển tuỳ theo lĩnh vực công nghiệp hoặc từng yêu cầu công nghệ. Một loạt các module phần mềm mở rộng định hƣớng cho từng loại ứng dụng đã đƣợc phát triển sẵn để ngƣời dùng chọn lựa khi cần.
* Cơ sở dữ liệu ODBC/SQL đã được tích hợp sẵn
Cơ sở dữ liệu Sysbase SQL đã đƣợc tích hợp sẵn trong WinCC. Tất cả các dữ liệu về cấu hình hệ thống và các dữ liệu của quá trình điều khiển đựơc lƣu giữ trong cơ sở dữ liệu này. Ngƣời dùng có thể dễ dàng truy cập tới cơ sở dữ liệu của WinCC bằng SQL (Structured Query Language) hoặc ODBC (Open Database Connectivity). Sự truy cập này cho phép WinCC chia sẻ dữ liệu với các ứng dụng và cơ sở dữ liệu khác chạy trên nền Windows.
* Các giao thức chuẩn mạnh (DDE, OLE, ActiveX, OPC)
Các giao diện chuẩn nhƣ DDE và OLE d ng cho việc chuyển dữ liệu từ các chƣơng trình chạy trên nền Windows cũng là những tính năng của WinCC. Các tính năng nhƣ ActiveX control và OPC server và client cũng đƣợc tích hợp sẵn.
* Ngôn ngữ vạn năng
WinCC đƣợc phát triển dùng ngôn ngữ lập trình chuẩn ANSI-C.
* Giao diện lập trình API mở cho việc truy cập tới các hàm của WinCC và dữ liệu
71
Tất cả các module của WinCC đều có giao diện mở cho giao diện lập trình dùng ngôn ngữ C (C programming interface, C-API . Điều đó có nghĩa là ngƣời dùng có thể tích hợp cả cấu hình của WinCC và các hàm thực hiện (runtime) vào một chƣơng trình của ngƣời sử dụng.
* Cài đặt phần mềm với khả năng lựa chọn ngôn ngữ
Phần mềm WinCC đƣợc thiết kế trên cơ sở nhiều ngôn ngữ. Nghĩa là, ngƣời dùng có thể chọn tiếng Anh, Pháp, Đức hay thậm chí các ngôn ngữ châu á làm ngôn ngữ sử dụng. Các ngôn ngữ này cũng có thể thay đổi trực tuyến.
* Giao tiếp với hầu hết các loại PLC
WinCC có sẵn các kênh truyền thông để giao tiếp với các loại PLC của Siemens nhƣ SIMATIC S5/S7/505 cũng nhƣ thông qua các giao thức chung nhƣ PROFIBUS DP, DDE hay OPC. Thêm vào đó, các chuẩn thông tin khác cũng có sẵn nhƣ là những lựa chọn hay phần bổ sung.
* WinCC như một phần tử của hệ thống tự động hoá tích hợp toàn diện (Totally Integrated Automation-TIA)
WinCC đóng vai trò nhƣ cửa sổ hệ thống và là phần tử trung tâm của hệ. Nó cũng chính là phần tử SCADA trong hệ thống PCS 7 của Siemens.
4.1.3. Các cấu hình hệ thống cơ bản
WinCC có thể hỗ trợ các cấu hình hệ thống từ thấp đến cao, ví dụ nhƣ trong các cấu hình nhƣ sau:
+ Hệ thống điều khiển dùng một máy tính (Sing-user system) + Hệ thống điều khiển dùng nhiều máy tính (Multi-user system) + Cấu trúc Client/Server có dự phòng
+ Cấu trúc hệ thống phân tán với nhiều trạm chủ (server)
4.1.4. Các chức năng SCADA cơ bản
* Tạo giao diện người sử dụng
Không phụ thuộc vào các ứng dụng nhỏ hay lớn, đơn giản hay phức tạp, dùng WinCC ta có thể thiết kế ra các giao diện cho ngƣời sử dụng để phục vụ cho việc điều khiển và tối ƣu hoá quá trình sản xuất.
WinCC có một bộ công cụ thiết kế giao diện đồ hoạ mạnh nhƣ các Toolbox, các Control, các OCX đƣợc đặt dễ dàng trên của sổ thiết kế.
Giao diện ngƣời sử dụng cho phép hiển thị quá trình hội thoại giữa ngƣời điều khiển và quá trình điều khiển một cách linh hoạt và phụ thuộc vào nhu cầu của quá trình điều khiển. Màn hình điều khiển có thể thể hiện quá trình công nghệ một cách toàn cảnh, qui trình công nghệ chính hoặc một cụm công nghệ nào đó cần theo dõi. Tính năng này đƣợc
72
hỗ trợ bởi Split Screen Wizard. Các hình ảnh của quá trình điều khiển có thể cấu trúc theo sơ đồ hình cây để có thể theo dõi quá trình một cách tổng thể. Việc chia các hình ảnh này đƣợc hỗ trợ bởi Picture Tree Manager một cách tiện lợi. Tại đây ta có thể dùng chuột để di chuyển một hình ảnh từ một ví trí này đến một vị trí khác trên sơ đồ hình cây.
WinCC có thể ghi nhớ các giá trị của các biến. Và cũng nhƣ vậy, nó cũng có thể ghi nhận ngày tháng, thời gian, ngƣời sử dụng, giá trị cũ và mới. Vì thế diễn biến của những quá trình có tính chất kịch tính có thể đƣợc tái tạo lại phục vụ cho mục đích phân tích.
* Truy nhập hệ thống và công tác quản trị người sử dụng
WinCC chỉ cho phép những ngƣời đƣợc uỷ quyền truy cập vào hệ thống. Có tới 1000 mức truy cập khác nhau cho phép phân chia quyền truy cập và can thiệp vào hệ thống ở mức độ khác nhau. Mật khẩu (password và tên ngƣời sử dụng (user name) xác định quyền truy cập của mỗi ngƣời. Điều này cũng có thể đƣợc định nghĩa lại trong quá trình vận hành hệ thống. Một công cụ có tên là “User Administrator” (Quản trị ngƣời sử dụng đƣợc d ng để thoả mãn mục đích này. Quyền truy cập sẽ hết hiệu lực nếu thời hạn cho phép đã kết thúc.
* Chuyển đổi ngôn ngữ sử dụng
Một vài ngôn ngữ có thể đƣợc xác lập trong quá trình cài đặt để làm ngôn ngữ sử dụng của một dự án. Trong quá trình vận hành, ngƣời sử dụng chỉ việc nhấn chuột vào một hộp thoại để thay đổi ngôn ngữ sử dụng.
* Hệ thống đồ hoạ (Graphics System)
Hệ thống đồ hoạ của WinCC xử lý tất cả các đầu vào và đầu ra thể hiện trên màn hình trong quá trình vận hành. Khả năng hiển thị thông tin điều khiển dƣới dạng đồ hoạ đƣợc thực hiện bởi một module chƣơng trình có tên gọi là Graphics Designer. Công cụ này có thể cung cấp các công cụ có sẵn nhƣ:
Các hình vẽ của các phần tử tiêu biểu (nhƣ bơm, van, động cơ, silô... + Các phím, hộp thoại, thanh trƣợt...
+ Các màn hình ứng dụng và màn hình hiển thị Các đối tƣợng OLE, ActiveX
Các trƣờng vào, ra
+ Các thanh trạng thái và các hiển thị theo nhóm.