4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
2.2.2.Cấu hình bộ điều khiển
Trong đề tài này, chúng em sử dụng 1 PLC S7-1200, CPU 1214C DC/DC/DC PLC Siemens S7-1200 với model 6ES7 214-1AG40-0XB0
+ Cổng PROFINET
+ I/O tích hợp: 14 đầu vào kỹ thuật số 24 V DC; 10 đầu ra kỹ thuật số 24 V DC; 0,5 A; 2 đầu vào tương tự 0-10 V
+ Nguồn cung cấp: 20,4-28,8 V DC + Bộ nhớ chương trình: dữ liệu 100 kB
+ PLC S7-1200 CPU 1214C, S7-1200 CPU1214C DCDCDC 6ES7214-1AG40 + Bộ lập trình CPU 1214C - SIMATIC S7-1200, 1214 C DC/DC/DC, ONBOARD I / O: 14 DI 24V DC; 10 DO 24 V DC; 2 AI 0 - 10V DC, NGUỒN ĐIỆN: DC 20,4 - 28,8 V DC, CHƯƠNG TRÌNH / BỘ NHỚ DỮ LIỆU: 100 KB
+ Nổi bật tính năng của PLC S7-1200
Mở rộng điều khiển từ S7 với linh hoạt mở rộng phương pháp: + 1 bo mạch tín hiệu (SB) và 1 bo mạch truyền thông (CB) + 8 tín hiệu mô-đun (SM)
+ Có thể có 3 modun truyền thông (CM) lớn nhất Profinet thông tin port (Ethernet) được tích hợp sẵn:
+ Kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet MởĐầu kết nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo Truyền tải 10/100 Mbits / sỗ trợ 16 ethernetTCP / IP kết nối, ISO trên giao thức TCP và S7
Các tính năng về đo lường, vị trí điều khiển, quá trình điều khiển:
6 bộ đếm tốc độ cao (bộ đếm tốc độ cao) dùng cho bộ đếm và đo lường ứng dụng, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và động cơ định vị. lái servo (servo drive) Ngõ ra PWM xung đột rộng, cơ năng điều khiển tốc độ, van vị trí, điều khiển hay nhiệt độ… 16 bộ PID điều khiển với tính năng tự động xác định thông số điều khiển (auto-tune chức năng)
Hình 2. 7 Sơ đồ đấu nối của PLC S7-1200
PLC S7 - 1200 là một dòng PLC mới của SIEMENS, là thiết bị tự động hóa đơn giản nhưng có độ chính xác cao. Thiết bị PLC Siemens S7 - 1200 được thiết kế dạng module nhỏ gọn, linh hoạt, phù hợp cho một loạt các ứng dụng. PLC S7 – 1200 của Siemens có một giao diện truyền thông đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất của truyền thông công nghiệp và đầy đủ các tính năng công nghệ mạnh mẽ tích hợp sẵn làm cho nó trở thành một giải pháp tự động hóa hoàn chỉnh và toàn diện.
Với thiết kế theo dạng module, tính năng cao, dòng sản phẩm SIMATIC S7-1200 thích hợp với nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau, cấp độ từ nhỏ đến trung bình. Đặc điểm nổi bật là PLC S7-1200 được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet), sử dụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic cho việc lập trình PLC và các màn hình HMI. Điều này giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi công hệ thống điều khiển được nhanh chóng, đơn giản.
Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển khác, người ta đã chế tạo bộ điều khiển PLC nhằm thoả mãn các yêu cẩu sau:
+ Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu. + Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa.
+ Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, các module mở rộng.
Tuy nhiên bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí cũng như giá cả….Chính điều này đã tạo ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp, các tập lệnh nhanh chống đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch…Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn. Trong PLC phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển và xử lí hệ thống, chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bằng một chương trình. Chương trình này sẽ được nạp sẵn vào bộ nhớ 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 quy trình công nghệ. Ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ PLC. PLC S7 – 1200 bao gồm các họ CPU 1211C, 1212C, 1214C. Mỗi loại CPU có những tính năng khác nhau, thích hợp cho từng loại ứng dụng. Các kiểu cấp nguồn và đầu vào ra có thể là DC/DC/DC hay DC/DC/Rly.
Cấu trúc của PLC S7-1200
Hệ thống PLC thông dụng có 5 thành phần cơ bản gồm : bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện nhập/xuất (I/O), thiết bị lập trình.
Hình 2. 8 Cấu trúc của PLC S7-1200
Tích hợp cổng truyền thông Profinet (Ethernet) tạo sự dễ dàng trong kết nối. Simatic S7 – 1200 với Simatic HMI Basic được lập trình chung trên một nền phần mềm là TIA Portal V14 (Simatic Step 7 Basic, WinCC Basic) hoặc version cao hơn. Các thao
tác lập trình thực hiện theo cách kéo – thả, do đó tạo sự dễ dàng cho người sử dụng, lập trình nhanh chóng, đơn giản, chính xác.
Tích hợp sẵn các đầu vào ra, cùng với các board tín hiệu, khi cần mở rộng ứng dụng với số lượng đầu vào ra ít sẽ tiết kiệm được chi phí, không gian và phần cứng. Dễ dàng cho người sử dụng sản phẩm trong việc mua gói thiết bị.
Có 2 ngõ vào Analog 0 ÷ 10VDC.
Có 6 bộ đếm tốc độ cao HSC gồm 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường.
Có 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ động cơ bước hay servo.
Có ngõ ra PWM điều chế độ rộng xung cho các ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ, valve, nhiệt độ...
Có 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số cho bộ điều khiển.
Các module mở rộng tín hiệu vào/ra: được gắn trực tiếp vào phía bên phải của CPU. Với dải rộng các loại module tín hiệu vào/ra digital và analog, giúp linh hoạt trong sử dụng S7-1200. Tính đa dạng của các module tín hiệu vào/ra sẽ được tiếp tục phát triển.
Module truyền thông: bên cạnh truyền thông Ethernet được tích hợp sẵn, CPU S7- 1200 có thể mở rộng được 3 module truyền thông khác nhau, giúp cho việc kết nối được linh hoạt. Tại thời điểm Siemens giới thiệu PLC S7-200 ra thị trường, có các module RS232 và RS485, hỗ trợ các giao thức truyền thông như Modbus, USS…
Giao tiếp: PLC Siemens S7-1200 hỗ trợ kết nối Profibus và kết nối PTP (point to point)
Giao tiếp PROFINET với: Các thiết bị lập trình, Thiết bị HMI, các bộ điều khiển SIMATIC khác…Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo, tốc độ truyền 10/100 Mbits/s.
Hình 2. 9 Các module mở rộng của PLC S7-1200 Ngôn ngữ lập trình và các tập lệnh cơ bản của PLC S7-1200
Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ cho các đối tượng sử dụng khác nhau. Đối với PLC S7-1200 sử dụng ngôn ngữ hình thang (LAD) để lập trình.
+ Ngôn ngữ lập trình hình thang (LAD).
LAD là một ngôn ngữ lập trình kiểu đồ họa. Các phần tử của một sơ đồ mạch điện thường đóng hay thường mở, và các cuộn dây được nối với nhau để tạo thành các mạng. Để tạo ra sơ đồ logic cho các thực thi phức tạp, ta có thể chèn vào các nhánh để tạo ra các mạch logic song song. Các nhánh song song được mở ra theo hướng xuống hay được kết nối trực tiếp đến thanh dẫn tín hiệu. Ta kết thúc các nhánh theo hướng lên trên.
Cần chú ý đến các quy tắc sau đây khi tạo ra một mạng LAD:
Mỗi mạng LAD phải kết thúc bằng một cuộn dây hay một lệnh dạng hộp. Không được kết thúc một mạng với cả lệnh so sánh hay phát hiện ngưỡng.
Ta không thể tạo ra một nhánh mà có thể đưa lại kết quả là một dòng tín hiệu theo chiều ngược lại.
Ta không thể tạo ra một nhánh mà có thể gây nên ngắn mạch.
+ Ngôn ngữ lập trình hình khối (FBD)
Giống như ngôn ngữ LAD, ngôn ngữ FBD cũng là một ngôn ngữ lập trình kiểu đồ họa. Sự hiển thị của mạch logic được dựa trên các biểu tượng logic đồ họa sử dụng trong đại số boolean.
Các hàm toán học và các hàm phức khác có thể được thể hiện một cách trực tiếp trong sự kết hợp với các hộp logic. Để tạo ra logic cho các vận hành phức tạp, ta chèn các nhánh song song giữ các hộp.
+ Ngôn ngữ lập trình liệt kê lệnh (STL)
Là dạng ngôn ngữ lập trình thông dụng của máy tính. Trong đó một chương trình được ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và có cấu trúc chung: “Câu lệnh + toán hạng”.
Ứng dụng của PLC S7-1200
Lợi ích đầu tiên của PLC là hệ thống điều khiển chỉ cần lắp đặt một lần, mà không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tự điều khiển. Khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn, hệ thống điều khiển linh hoạt hơn.
Không như hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng lắp đặt do chiếm một khoảng không gian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống khác. Điều này càng tỏ ra thuận lợi hơn đối với hệ thống điều khiển lớn, phức tạp và quá trình lắp đặt hệ thống PLC ít tốn thời gian hơn hệ thống khác. Người sử dụng có thể nhận biết các trục trặc hệ thống PLC nhờ giao diện qua màn hình máy tính.
Người ta đã đi đến tiêu chuẩn các chức năng chính của PLC trong hệ thống điều khiển:
+ Thay thế cho điều khiển role.
+ Thay thế cho các Panel điều khiển, mạch in. + Có các khối điều khiển thông dụng.
Một số lĩnh vực tiêu biểu sử dụng PLC: Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất trong công nghiệp và dân dụng. Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có khả năng đóng mở (ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong sản xuất. Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm:
+ Hóa học dầu khí: định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống dẫn).
+ Chế tạo máy và sản xuất: tự động hóa trong chế tạo máy, cân đông, quá trình lắp đặt máy, điều khiển nhiệt độ lò luyện kim.
+ Bột giấy, giấy, xử lý giấy: điều khiển máy băm…
+Thủy tinh và phim ảnh: quá trình đóng gói và thín ghiệm vật liệu…
+ Thực phẩm, rượu bia thuốc lá: phân loại sản phẩm, đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm, kiểm soát quá trình sản xuất, bơm…
+ Kim loại: điều khiển quá trình cán, cuốn, quy trình sản xuất, kiểm tra chất lượng. + Năng lượng: điều khiển nguyên liệu…