Bộ điều khiển S7-1200 cung cấp sự linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều loại thiết bị để hỗ trợ nhu cầu tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, cấu hình linh hoạt và tập hợp lệnh mạnh mẽ kết hợp để làm cho S7-1200 trở thành giải pháp hoàn hảo để điều khiển nhiều loại ứng dụng.
CPU kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch đầu vào và đầu ra, PROFINET tích hợp, I / O điều khiển chuyển động tốc độ cao và các đầu vào tương tự trên bo mạch trong một thiết bị nhỏ gọn để tạo ra một bộ điều khiển mạnh mẽ. Sau khi tải xuống chương trình, CPU sẽ chứa logic cần thiết để giám sát và điều khiển các thiết bị trong ứng dụng. Giám sát CPU đầu vào và thay đổi đầu ra theo logic của chương trình người dùng, điều này có thể bao gồm logic Boolean, đếm, định thời gian, các phép toán phức tạp và giao tiếp với các thiết bị thông minh khác.
CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếp qua mạng PROFINET. Các mô- đun bổ sung có sẵn để giao tiếp qua PROFIBUS, GPRS, RS485 hoặc mạng RS232.
1. Đấu nối nguồn
2. Khe cắm thẻ nhớ dưới cửa trên 3. Đầu nối dây người dùng có thể
tháo rời (sau cánh cửa)
4. Đèn LED trạng thái cho I/ O trên bo mạch
5. Kết nối PROFINET (ở cuối CPU)
1.Mô-đun giao tiếp (CM), bộ xử lý giao tiếp (CP) hoặc Bộ điều hợp TS
2.CPU
3. Bảng tín hiệu (SB), bảng giao tiếp (CB) hoặc Bảng pin (BB)
4. Mô-đun tín hiệu (SM)
Hình 2.7. Các module mở rộng của S7-1200 Bảng 2.1. Module S7-1200
Loại module Minh họa
CPU hỗ trợ một plug-in bảng mở rộng:
-Một bảng tín hiệu (SB) cung cấp
bổ sung I / O cho CPU của bạn.SB kết nối ở mặt trước của
CPU.
- Một bảng liên lạc (CB) cho phép bạn thêm một cổng giao tiếp của bạn CPU.
- Một bảng pin (BB) cho phép bạn để cung cấp bản sao lưu dài hạn của
đồng hồ thời gian thực 1. LEDs trạng thái 2. Tháo kết nối dây
Thêm mô-đun tín hiệu (SM)chức năng bổ sung cho
1. LEDs trạng thái
CPU.SM kết nối với phía bên phải của CPU.
- I / O kỹ thuật số - I / O tương tự - RTD và cặp nhiệt điện 2. Kết nối Bus 3. Tháo kết nối dây
Mô-đun giao tiếp (CM) và bộ xử lý truyền thông (CP) thêm các tùy chọn giao tiếp cho CPU, chẳng hạn như cho PROFIBUS hoặc RS232 / RS485
kết nối (cho PtP, Modbus hoặc USS), hoặc AS-i master. CP cung cấp khả năng cho các loại khác giao tiếp,chẳng hạn nhưkết nối CPU qua GPRS mạng. -CPU hỗ trợ tối đa 3 CM hoặc CP
- Mỗi CM hoặc CP kết nối vớibên trái của CPU (hoặc bên trái của CM hoặc CP khác). 1. LEDs trạng thái 2. Tháo kết nối dây 2.3.7. Biến tần
Biến tần là một thiết bị điện biến đổi tần số dòng điện đầu vào từ tần số này
(50Hz, 60Hz) sang tần số khác ở đầu ra (phổ biến là từ 0 đến 400 hz), biến tần chủ yếu
sử dụng để điều khiển tăng giảm vận tốc động cơ xoay chiều bằng cách tăng giảm tần số.
Bảo vệ động cơ điện: Biến tần bảo vệ chạm chập cháy động cơ, bảo vệ mất pha cấp cho động cơ, bảo vệ rò điện động cơ…
Chống sụt áp hệ thống: Sử dụng biến tần sẽ giúp động cơ khởi động tăng tốc từ từ theo thời gian cài đặt, qua đó làm giảm dòng khởi động, thường là gấp 5-7 lần dòng định mức và gây ra hiện tượng sụt áp lưới điện
Bảo vệ hệ thống đường dây điện: Giảm dòng khởi động qua đó gián tiếp giúp hệ thống dây dẫn điện chịu dòng điện đi qua nhỏ hơn và do đó sử dụng sẽ bền hơn
Hỗ trợ động cơ dừng nhanh: Khi ngắt điện cấp cho động cơ, động cơ vẫn quay theo quán tính và sau một thời gian mới dừng hẳn, sử dụng biến tần có thể giúp động cơ dừng ngay bằng cách hãm điện trở, hãm động năng, hãm tái sinh. Qua việc đó làm tăng năng suất, hiệu quả hoạt động của máy móc.
Điều khiển momen, giữ lực căng ổn định: Một số ứng dụng ví dụ trong ngành bao bì cần giữ momen ổn định và một số biến tần cao cấp có khả năng làm điều đó.
Tiết kiệm điện năng: Trường hợp động cơ có mô mem tải thay đổi liên tục như điều hòa trung tâm, bơm cấp nước, bơm quạt mát, máy nén khí …hoặc động cơ lắp dư công suất, tốc độ quay nhanh phải giảm tốc bằng các cơ cấu cơ khí như hộp số, hộp ly hợp (Động cơ VS) thì nên lắp biến tần, sẽ tiết kiệm được nhiều điện năng.
Nguyên lý làm việc
Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện.
Sau đó, điện áp một chiều này được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).
2.3.8. Khởi động từ (Contactor)
Khởi động từ là một loại thiết bị điện dùng để điều khiển đóng cắt từ xa, đảo chiều quay và bảo vệ quá tải (nếu mắc thêm rơ le nhiệt) cho các động cơ 3 pha rôto lồng sóc. Loại khởi động từ có một công tắc tơ gọi là khởi động từ đơn thường dùng để điều khiển cắt động động cơ điện. Khởi động từ có 2 công tắc tơ gọi là khởi động từ kép dùng đề khởi động và điều khiển đảo chiều động cơ điện. Muốn khởi động từ bảo vệ ngắn mạch phải mắc thêm cầu chì.
Hình 2.9. Ảnh minh họa bộ khởi động tử lắp cùng rơ le nhiệt
Cấu tạo contactor
Một khởi động từ sẽ được phân chia thành 3 phần, đó là:
+ Nam châm điện: Chức năng của nó đó là tạo ra từ trường. Nó gồm: 1 lõi sắt, 1 lò xo để đẩy lõi nắp dịch chuyển về vị trí ban đầu, cuộn dây để tạo ra lực hút nam châm. + Hệ thống tiếp điểm: Được phân chia thành tiếp điểm chính và các tiếp điểm phụ. Nếu tiếp điểm chính lắp ở mạch điện động lực thì tiếp điểm phụ được lắp trong mạch điều khiển của công tắc tơ.
Tiếp điểm chính sẽ cho các dòng mạch lớn, chính đi qua. Thông thường tiếp điểm chính là tiếp điểm thường hở. Điều này có nghĩa là khi cấp nguồn điện vào mạch của khởi động từ, mạch sẽ bị hút lại và nó đóng lại.
Tiếp điểm phụ sẽ cho dòng mạch nhỏ hơn 5A đi qua. Người ta phân chia tiếp điểm phụ thành 2 loại: tiếp điểm thường hở và tiếp điểm thường đóng.
Tiếp điểm thường hở là khi ở trạng thái bình thường, cuộn dây nam châm trong trạng thái nghỉ, không làm việc, nó sẽ bị hở. Khi contactor có điện và làm việc, tiếp điểm này sẽ chuyển sang trạng thái đóng. Và hoạt động sẽ ngược lại đối với tiếp điểm thường
đóng.
+ Hệ thống dập hồ quang: Do đóng ngắt liên tục, chuyển mạch thường xuyên làm xuất hiện các hồ quang gây mài mòn tiếp điểm hoặc thậm chí cháy. Hệ thống này sẽ làm dập tắt các hồ quang gây hại cho hệ thống.
Nguyên lý hoạt động của contactor
Các khởi động từ 1 pha, 2 pha hay khởi động từ 3 pha đều hoạt động theo 1 nguyên lý duy nhất:
+ Khi cấp nguồn điện vào mạch điện điều khiển bằng với giá trị điện áp định mức của công tắc tơ. Dòng điện sẽ đến 2 đầu cuộn dây quấn cố định trên lõi từ. Từ trường được sinh ra, lực từ xuất hiện hút lõi dịch chuyển. Mạch sẽ đóng lại và trở thành 1 mạch kín. Lực từ sẽ phải lớn hơn lực lò xo để có thể hút lõi. Và lúc này, khởi động từ làm việc.
Nhờ vào cơ giữa lõi và các tiếp điểm mà tiếp điểm chính đóng, tiếp điểm phụ chuyển trạng thái từ đóng sang mở hoặc từ mở sang đóng. Trạng thái này sẽ duy trì.
+ Khi ngắt dòng điện vào mạch, từ trường và lực từ không được sinh ra. Lúc này, công tắc tơ sẽ ở trạng thái nghỉ, các tiếp điểm sẽ trở về vị trí như ban đầu.
2.3.9. Rơ le nhiệt
Rơle nhiệt dùng để bảo vệ động cơ điện và mạch điện khỏi bị quá tải. Rơle nhiệt không tác động tức thời theo trị số dòng điện, vì cẩn có thời gian để phát nóng. Thời gian làm việc khoảng vài giây đến vài phút.
Rơle nhiệt có nguyên lý làm việc dựa vào tác dụng nhiệt của dòng điện. Loại rơle nhiệt thường có gắn phần tử cơ bản là phiến kim loại kép, cấu tạo từ 2 tấm kim loại, một tấm có hệ số giãn nở bé và một tấm có hệ số giãn nở lớn. Khi đốt nóng do dòng điện I, có thể dùng trực tiếp cho dòng điện đi qua, hoặc dây điện trở bao quanh.
Bộ phận đốt nóng 1 đấu nối trực tiếp với mạch điện chính của thiết bị cần bảo vệ (tự động cắt điện). Khi dòng điện chạy trong mạch điện tăng lên quá mức quy định (động cơ điện bị quá tải) thì nhệt lượng tỏa ra làm cho kim loại 3 cong lên phía trên (về phía kim loại có hệ số giản nở nhỏ). Nhờ lực kéo của lò xo 5, đòn bẩy 4 sẽ quay và mở tiếp điểm 2, làm cho mạch điện tự động cắt điện. Khi bộ phận đốt nóng nguội đi, thanh kim loại kép hết cong, ấn nút 6 là có thể đưa rơle nhiệt về vị trí cũ, tiếp điểm 2 đóng.
2.3.10. Rơ le trung gian
Hình 2.11. Ảnh minh họa Rơ le trung gian
Rơ le trung gian là một khí cụ điện dùng trong lĩnh vực điều khiển tự động, cơ cấu kiểu điện từ. Một kiểu nam châm điện có tích hợp thêm hệ thống tiếp điểm. Rơle trung gian còn gọi là rơ le kiếng là một công tắc chuyển đổi hoạt động bằng điện. Gọi là một công tắc vì rơ le có hai trạng thái ON và OFF. Rơ le ở trạng thái ON hay OFF phụ thuộc vào có dòng điện chạy qua rơ le hay không. Rơle trung gian đóng vai trò điều khiển trung gian giữa các thiết bị điều khiển (Contactor, Rơle thời gian…).
Thiết bị nam châm điện này có thiết kế gồm lõi thép động, lõi thép tĩnh và cuộn dây. Cuộn dây bên trong có thể là cuộn cường độ, cuộn điện áp, hoặc cả
cuộn điện áp và cuộn cường độ. Lõi thép động được găng bởi lò xo cùng định vị bằng một vít điều chỉnh. Cơ chế tiếp điểm bao gồm tiếp điểm nghịch và tiếp điểm nghịch.
Khi có dòng điện chạy qua rơ le, dòng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên trong và tạo ra một từ trường hút. Từ trường hút này tác động lên một đòn bẩy bên trong làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện và như thế sẽ làm thay đổi trạng thái của rơ le. Số tiếp điểm điện bị thay đổi có thể là 1 hoặc nhiều, tùy vào thiết kế.
Rơ le có 2 mạch độc lập nhau họạt động. Một mạch là để điều khiển cuộn dây của rơ le: Cho dòng chạy qua cuộn dây hay không, hay có nghĩa là điều khiển rơ le ở trạng thái ON hay OFF. Một mạch điều khiển dòng điện ta cần kiểm soát có qua được rơ le hay không dựa vào trạng thái ON hay OFF của rơ le.
2.3.11. Aptomat
Aptomat là thiết bị điện để tự động đóng cắt mạch điện, bảo vệ quá tải ngắn mạch, sụt áp…, hồ quang được dập trong không khí.
Ở trạng thái bình thường, sau khi đóng điện, aptomat được giữ trạng thái đóng tiếp điểm nhờ móc răng 1 khớp với cần răng 5 cùng một cụm với tiếp điểm động 6. Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, dòng điện chạy qua cuộn dây 2 lớn, lực hút điện từ tăng lên thắng lực lò xo 3 kéo phần ứng 4 xuống làm nhả móc 1, cần 5 được tự do, tiếp điện đọng 6 của Aptomat được mở ra do lực của lo xò 7, mạch điện bị cắt.
Hình 2.13. Cấu tạo chung của Aptomat
2.3.12. Màn hình HMI
HMI là từ viết tắt của Human – Machine – Interface, nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành và máy móc thiết bị. Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao tiếp” với một máy móc qua 1 màn hình giao diện đều được gọi là HMI. Màn hình HMI hiện nay đã quá quen thuộc với con người. Đặc biệt trong ngành công nghiệp. Nó đóng vai trò vô cùng quan trọng trong phần giao tiếp giữa người và máy.
Hình 2.14. Ảnh minh họa HMI
-HMI gồm 2 phần chính: + Phần cứng
+ Phần mền
2.3.12.1. Phần cứng của HMI
Phần cứng HMI bao gồm thân vỏ, khung, các thiết bị vi mạch điện tử… Những chi tiết phần cứng cụ thể và chức năng của chúng bao gồm:
+ Màn hình: Có chức năng cảm ứng để người vận hành có thể chạm tay vào để điều khiển các thao tác trên đó như 1 điện thoại Smartphone hiện đại mà chúng ta hay dùng hàng ngày. Ngoài ra màn hình còn dùng để hiển thị các trạng thái cũng như các tín hiệu hoạt động của máy và thiết bị tùy thuộc vào nhu cầu người dung và do người lập trình Cod lên.
+ Các phím bấm
+ Chip: chính là CPU của màn hình
+ Bộ nhớ chương trình: ROM, RAM, EPROM/Flash… 2.3.12.2. Phần mềm
Các hàm và lệnh Phần mềm phát triển
Các công cụ xây dựng HMI.
Các công cụ kết nối, nạp chương trình và gỡ rối Các công cụ mô phỏng
2.3.12.3 . Truyền thông
- Các giao thức truyền thông: Modbus, CANbus, PPI, MPI, PROFIBUS… - Các cổng truyền thông: RS232, RS485, Ethernet, USB…
2.3.12.4. Ưu điểm của HMI
-Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ sung thông tin cần thiết.
-Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa.
-Tính “Mở”: có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại giao thức.
-Khả năng lưu trữ cao.
-Tính đầy đủ, kịp thời và chính xác của thông tin.
2.3.13. Cảm biến nhiệt độ PT100
Cấu tạo
Cảm biến nhiệt độ Pt100 gồm có 6 phần:
Hình 2.15 Cấu tạo Pt100
- Phần đầu của cảm biến Pt100: Đầu cảm biến là thiết bị đo chính của cảm biến cũng là thành phần quan trọng nhất của cây cảm biến nhiệt độ điện trở. Trong đó độ nhạy của cảm biến là yếu tố quan trong nhất, độ nhạy kém sẽ dẩn đến hoạt động đo chính xác của cảm biến. Lưu ý rằng độ nhạy của cảm biến chính là thời gian đáp ứng của cảm biến nó khác toàn toàn với độ chính xác của cảm biến.
- Dây tín hiệu của Pt100: Dây tín hiệu được kết nối với đầu dò cảm biến với ngõ ra dạng 2 dây, 3 dây hoặc 4 dây. Vật liệu của dây tín hiệu được sử dụng tuỳ theo từng loại đầu dò.
- Chất cách điện bằng gốm: Gốm là một vật liệu giúp ngăn chặn ngắn mạch và cách điện các dây nối từ vỏ bọc bảo vệ.
- Chất làm đầy: Chất làm đầy bao gồm bột alumina được làm khô và điền đầy vào bên trong không chừa một khoảng trống nào để bảo vệ cảm biến khi bị rung động.
- Vỏ bảo vệ: Vỏ bảo vệ là thành phần tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt cần đo. Nó bảo vệ đầu dò cảm biến và dây tín hiệu của cảm biến. Vỏ bảo vệ cần được làm bằng đúng
vật liệu và kích thướt để có thể bảo vệ được các thành phần bên trong
- Đầu nối: Đầu nối cảm biến thường làm bằng các vật liệu cách điện như: nhựa, nhôm hay gốm.
Nguyên lý hoạt động
- Loại cảm biến này hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại với sự thay đổi nhiệt độ xung quanh. Ta có thể hiểu đơn giản như sau: Khi ta đốt nóng phần đầu của cảm biến, điện trở của Platinium (phần lõi cấu tạo nên cảm biến) sẽ tăng theo. Khi ta có 2 đầu của dây dẫn nối vào cảm biến. Sau khi phần cảm biến được đốt nóng, người ta đo