Nguôn câp
Ngo ra
DC24V
0-5VDC, 0-10VDC va 4-20mA
3.3. Cảm biến đo tốc độ.
3.3.1. Lựa chọn phương pháp đo tốc độ
Để đo tốc độ dịch chuyển băng tải ta đo gián tiếp thông qua tốc độ quay của tang bị động trên băng tải. Để xác định được tốc độ quay của tang bị động ta cần một cảm biến tốc độ vòng quay gắn với trục của tang bị động.
Có hai loại cảm biến đo tốc độ vòng quay được sử dụng hiện nay là máy phát tốc ( Tacho generator) và bộ mã hóa vòng quay ( Encoder).
Máy phát tốc có thể dùng để đo tốc độ vòng quay, tín hiệu ra là tín hiệu tương tự nhưng lại không hoàn toàn tuyến tính, vì nó phụ thuộc vào đặc tính từ hóa của vật liệu từ. Mặt khác ở dải tốc độ thấp điện áp đầu ra hầu như không có, ở dải vận tốc cao thì điện áp đầu ra lại bị bão hòa. Máy phát tốc lại có kích thước lớn, cồng kềnh, tốn nhiều vật liệu chế tạo và dải đo hẹp nên bị hạn chế sử
45
Báo cáo đồ án tốt nghiệp Lớp: TĐH & ĐK - K55
dụng trong công nghiệp. Vì thế trong mô hình cân băng định lượng của đề tài không sử dụng máy phát tốc để đo tốc độ băng tải
Trong khi đó, Encoder lại nhỏ gọn, có độ chính xác cao, dễ lắp đặt, dải đo tốc độ rộng từ thấp đến cao. Tuy nhiên vì Encoder chuyển đổi tốc độ sang tín hiệu xung nên đòi hỏi bộ xử lí phải có khả năng đếm tốc độ cao để xử lí.
Có 2 loại Encoder hiện nay là : Encoder tương đối và Encoder tuyệt đối . Encoder tuyệt đối có thể xác định và giữ được giá trị tín hiệu trả về từ encoder hay khi encoder mất nguồn.
Encoder tuyệt đối lại chế tạo phức tạp khiến giá thành cao, có nhiều tín hiệu ra làm khó khăn để xử lí. Encorder tuyệt đối không nên dùng cho các ứng dụng có tốc độ cao và vòng quay >360 độ vì khi hết một vòng vị trí các xung lại trở lại giống hệt vong trước tại vị trí đó làm phức tạp khi lập trình.
Encoder tương đối có giá thành rẻ, có thể đo tốc độ cao, chỉ có 1, 2 hoặc 3 tín hiệu xung giúp đơn giản trong quá trình xử lí tín hiệu. Mặt khác, trong mô hình cân băng định lượng của đề tài chỉ cần xác định tốc độ quay của trục tang bị động mà không cần biết vị trí của nó.
Kết luận: Lựa chọn Encoder tương đối để đo tốc độ dịch chuyển băng tải
trong mô hình cân băng định lượng của đề tài.
3.3.2. Tính chọn Encoder
- Tốc độ băng tải theo thiết kế là V= 0.1m/s - Tần số đọc xung tối đa trên PLC: 100 ( ). - Đường kính tang băng tải là D=0.056m - Tốc độ quay của băng tải là : ω=
Độ phân giải lớn nhất của encoder mà PLC có thể đọc được: 100000 /0.56 = 178571 ( / )
Để xác định tốc độ quay nhỏ, cần có Encoder độ chính xác lớn, số xung lớn .
Kết luận : Do ở quy mô mô hình, hạn chế về kinh phí nên ta chọn Encoder Omron E6C2-CWZ6C 2000P/R
46
Báo cáo đồ án tốt nghiệp Lớp: TĐH & ĐK - K55
Hình 3. 7. Encoder Omron E6C2-CWZ6C 2000P/R Bảng 3. 3. Thông số kĩ thuật Encoder Omron E6C2-CWZ6C 2000P/R
Nguồn cấp Ngõ ra
Các pha ngõ ra Tần số tối đa Tốc độ tối đa
Hình 3. 8. Sơ đồ đấu dây Encoder Omron E6C2-CWZ6C 2000P/R
47
Báo cáo đồ án tốt nghiệp Lớp: TĐH & ĐK - K55
3.4. Thiết kế mạch điện điều khiển cho hệ thống
48
Báo cáo đồ án tốt nghiệp Lớp: TĐH & ĐK - K55
Chương IV: THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 4.1. Lưu đồ giải thuật điều khiển
Hình 4. 1 Lưu đồ giải thuật điều khiển
49
Báo cáo đồ án tốt nghiệp Lớp: TĐH & ĐK - K55
4.2. Lưu đồ thuật toán chương trình tính lưu lượng thực tế
Hình 4. 2 Lưu đồ tính lưu lượng nguyên liệu hiện tại
50
Báo cáo đồ án tốt nghiệp Lớp: TĐH & ĐK - K55
4.3. Lưu đồ thuật toán chương trình tính tốc độ băng tải
Hình 4. 3. Lưu đồ thuật toán chương trình tính tốc độ băng tải
51
Báo cáo đồ án tốt nghiệp Lớp: TĐH & ĐK - K55
Chương V: HOÀN THIỆN THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ GIÁM SÁT
Sau quá trình tính toán, thiết kế và lựa chọn những thiết bị hợp lý, nay tiến hành lắp ráp mô hình phần cứng của mô hình và thiết kế giao diện HMI để điều khiển và giám sát trên máy tính.
5.1. Mô hình thực nghiệm
Hình 5. 1. Mô hình hệ thống cân băng định lượng
Trong đó : 1. Encoder
2. HMI Siemens KTP 400 Basic 3. Nguồn 24VDC
4. MCB 2P 6A
5. PLC S7-1200 1214C AC/DC/RLY và Module CM 1241 RS422/RS485 6. Biến tần LS IG5A
7. Động cơ không đồng bộ ba pha 25W
8. Bô khuêch đai tin hiêu loadcell SMOWO RW-ST01A 9. Băng tải
10. Loadcell 5kg
11. Phễu cấp nguyên liệu
52
Báo cáo đồ án tốt nghiệp Lớp: TĐH & ĐK - K55
Hình 5.2. Hệ thống điều khiển
Trên tủ điều khiển có gắn Bộ điều khiển PLC S7-1200 dùng để điều khiển toàn bộ hệ thống. Bộ điều khiển PLC có gắn thêm một module CM 1241 RS422/485 dùng để giao tiếp truyền thông Modbus RTU với biến tần .Có 1 bộ nguồn 24VDC dùng để cấp nguồn điện cho bộ khuếch đại tín hiệu loadcell hoạt động. Bên cạnh là thiết bị bảo vệ mạch MCB dùng để ngắt nguồn điện khi có sự cố ngắn mạch hoặc quá tải trong hệ thống . Bên phải là biến tần LS IG5A dùng để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha khi có tín hiệu điều khiển từ PLC S7-1200 truyền xuống.
Hình 5. 3 Màn hình điều khiển và giám sát
Trên màn hình điều khiển HMI có hiển thị tên hệ thống, thời gian, các I/O field dùng để cài đặt năng xuất của hệ thống cân băng định lượng, chỉ thị các thông số về tốc độ băng tải, khối lượng nguyên liệu, giá trị bì, năng suất thực tế từ PLC gửi lên. Ngoài ra trên HMI còn có đèn báo hiển thị chế độ MAN hoặc AUTO.
53
Báo cáo đồ án tốt nghiệp Lớp: TĐH & ĐK - K55
Bên cạnh đó còn có hình ảnh hiển thị trạng thái chay, dừng của động cơ. Và bên dưới màn hình HMI có các nút ấn ảo để người vận hành điều khiển hoạt động của hệ thông cân băng định lượng
Hình 5. 4 Cơ cấu cân và Loadcell
Loadcell được đặt trên một cái giá kim loại gắn vào khung của băng tải. Bên trên loadcell có đặt bàn cân dùng để cân nguyên liệu dịch chuyển trên băng tải
Hình 5. 5. Động cơ truyền động cho băng tải
Trong mô hình có một động cơ không đồng bộ ba pha được nối qua một hộp số để tăng momen kéo. Hộp số dấn động băng tải qua khớp nối mềm
54
Báo cáo đồ án tốt nghiệp Lớp: TĐH & ĐK - K55
5.2. Hiệu chỉnh bộ khuếch đại tín hiệu loadcell
Hiệu chỉnh bộ khuếch đại tín hiệu loadcell để có được tín hiệu analog theo khối lượng mong muốn. Khối lượng từ 0kg đến 10kg qua bộ khuếch đại sẽ cho ra tín hiệu analog tương ứng tuyến tính từ 0V tới 10V.
Tiến hành đấu dây loadcell vào bộ khuếch đại. Sau đó, gắn bàn cân có khối lượng 0.545kg lên loadcell, chuẩn bị vật năng 3kg.
Hình 5. 6 Chuẩn bị vật cân mẫu 3kg
Sau đó đặt vật nặng có khối lượng 3kg lên bàn cân , ta có tổng khối lượng là 3.545kg và quan sát tín hiệu analog đầu ra của bộ khuếch đại
Hình 5. 7 Đặt vật cân mẫu lên
55
Báo cáo đồ án tốt nghiệp Lớp: TĐH & ĐK - K55
Nhận thấy tín hiệu analog ra là 3.624V,sai lệch so với yêu cầu đặt ra nên ta vặn biến trở trên bộ khuếch đại để tín hiệu analog xuất ra là 3.545V tương ứng với khối lượng 3.545kg.
Hình 5. 8 Mối quan hệ giữa khối lượng với tín hiệu analog
5.3. Xây dựng chương trình điều khiển
Tia Portal là một phần mềm tích hợp, hỗ trợ quản lý tất cả các thiết bị trong một Project, vừa có thể lập trình PLC vừa có thể thiết kế giao diện HMI. Tia Portal có giao diện thân thiện với người dùng hỗ trợ lập trình PLC theo các ngôn ngữ như: LADDER, STL và FBD, hỗ trợ việc tạo và quản lí thư viện cũng như có số lượng lớn thư viện hỗ trợ.
5.3.1. Cấu hình phần cứng PLC S7-1200
Sau khởi động Tia Portal có 2 giao diện để quản lí là Project view và Portal view (mặc định là Portal view). Ở mỗi giao diện đều hỗ trợ tạo, và quản lí project.
56
Báo cáo đồ án tốt nghiệp Lớp: TĐH & ĐK - K55
Hình 5. 9 Giao diện Portal view
Hình 5. 10 Giao diện Project view
Bước 1. Tạo project và cấu hình thiết bị
Ở giao diện Portal view chọn Create new project để bắt đầu quá trình khởi tạo project mới. Thao tác trên sẽ làm xuất hiện giao diện với các thông tin cảu một project mới như : tên project – Project name ; đường dẫn để lưu project – Path; tên người khởi tạo project – Author ; thông tin về project – Comment. Sau khi điền đầy đủ thông tin về project, chọn Creat để tiếp tục quá trình khởi tạp Project
57
Báo cáo đồ án tốt nghiệp Lớp: TĐH & ĐK - K55
Hình 5. 11 Tạo project Cân băng định lượng
Add Bướcnewdevice2:Lựa,điềnchọncáccấuthônghì CPUtinchochoCPUproject:cần khaiDevicebáo&tạiNetworkscửasổAdd▶
new device : tên thiết bị - Device name ; thông số kỹ thuật và dòng CPU được sử dụng .
Controllers ▶ SIMATIC S7-1200 Add▶ CPU ▶ CPU 1214C AC/DC/Rly ▶
6ES7 214-1BG40-0XB0 ▶
Hình 5. 12 Lựa chọn cấu hình CPU cho project
Bước 3 : Cấu hình cho PLC : Ở thanh Project tree chọn Device configuration.
58
GVHD: SV: Phạm Khắc Hải
K55
Hình 5. 13 Cấu hình cho PLC
Chọn vào PLC đã thêm vào và chọn tab Properties để cấu hình phần cứng cho PLC như cấu hình địa chỉ IP, các cổng I/O, bộ HSC, bộ PTO/PWM ...
Để cài địa chỉ IP cho PLC S7-1200
Chọn PROFINET interface [x1] ▶ Enthernet addresses ▶ IP protocol
Nhập địa chỉ IP vào ô IP address
Hình 5. 14 Cài địa chỉ IP cho PLC S7-1200
Kích hoạt các Bit nhớ đặb biệt: Chọn System and clock memory, đánh dấu Enable the use of clock memory bytes
59
K55
Hình 5. 15 Sử dụng các Bits đặc biệt
- Có thể lựa chọn địa chỉ bắt đầu ở ô Address of system memory byte (MBx) và Address of clock memory byte (MBx).
- Một số bit thường sử dụng như:
+ First cycle: Với tên Tà là “FristScan ” là bit có trạng thái 1 sau khi Startup OB hoàn thành , và chỉ duy trì 1 lần duy nhất khi ở chu kì quét đầu tiên và sẽ trở về 0
+ Always 1: Với tên Tag là AlwaysTRUE là bit có trạng thái luôn luôn bằng 1. + Always 0: Với tên Tag là AlwaysFALSE là bit có trạng thái luôn luôn bằng 0.
+ Các bit tạo xung clock với các tần số khác nhau tùy vào ứng dụng.
Bước 4 : Cấu hình cho bộ điếm HSC1 ( 100 KHz ) hoạt động
Để cấu hình cho bộ HSC , chọn vào High speed counters (HSC) ▶ HSC1 ▶ General ▶ đánh dấu Enable this high speed counter
60
K55
Hình 5. 16 Cấu hình cho bộ điếm HSC hoạt động
Thiết lập chức năng cho bộ HSC:
Vào Function để chọn chế độ hoạt động của HSC:
Type of counting: Lựa chọn chức năng đếm là “Count” – đếm xung . Operating phase: Lựa chọn đếm 1 pha – “single phase” vì điều khiển băng tải nên động cơ chỉ quay 1 chiều nên chỉ cần đọc xung từ 1 pha của encoder.
Counting direction is specified by: chọn điều khiển hướng nội, tức điều khiển bằng chương trình PLC, chọn “Internal direction control”.
Initial counting direction: chọn hướng đếm, đếm lên – Count up.
Hình 5. 17 Thiết lập chức năng cho bộ HSC
Thiết lập đầu vào tín hiệu xung của HSC1: để mặc định là chân I0.0
61
K55
Hình 5. 18 Thiết lập đầu vào tín hiệu xung của HSC1
Thiết lập địa chỉ Vùng nhớ chứa giá trị đếm HSC1 : để mặc định là ID1000
Hình 5. 19 Thiết lập địa chỉ Vùng nhớ chứa giá trị đếm HSC1
Bước 5 : Cấu hình cho chức năng xử lí tín hiệu Analog hoạt động
2 đầu vào Analog trên PLC đã được cấu hình mặc định trong PLC S7-1200: - Địa chỉ vùng nhớ chứa giá trị tín hiệu Analog : IW64
- Kiểu tín hiệu Analog : Điện áp - Dải đo : 0…10V
62
trong PLC S7-1200
Bước 6: Cấu hình module giao tiếp CM1241
- Ở thanh Hardware catalog chọn Communication module ▶ Point-to- Point
▶ CM1241 (RS422/485) ▶ 6ES7 241-1CH31-0XB0
Hình 5. 21 Lựa chọn module CM 1241 RS422/485
Khi chọn vào module thì thấy trạm PLC sẽ thêm các slot ở phía bên trái. Và chúng ta nhấn đúp thêm một lần nữa để thêm module vào Rack
Hình 5. 22 Ghép nối Module CM1241 RS422/485 với PLC S7-1200
Chọn module CM1241 RS422/485 chọn tab Properties ▶ RS422/485 interface ▶ IO-Link để thiết lập các thông số:
63
GVHD: SV: Phạm Khắc Hải
Báo cáo đồ án tốt nghiệp Lớp: TĐH & ĐK - K55
+ Operating mode- Chế độ truyền: Half duplex (RS485) two-wire operation. + Receive line initial state: none.
+ Baud rate- Tốc độ truyền: 9600 kbps. + Parity- Kiểm tra chẵn lẻ : No partiy.
+ Data bits- Độ dài dữ liệu: 8 bits per character. + Stop bits:1.
Hình 5. 23 Thiết lập thông số truyền thông cho Module CM1241 RS422/485 Sau khi thiết lập xong cấu hình phần cứng,tiếnOnlinehành downloadDownloadcấuto hìnhdevicexuống tiếnOnlinehành downloadDownloadcấuto hìnhdevicexuống
PLC bằng cách nhấn vào Edit ▶ Complie ▶ ▶
64
GVHD: SV: Phạm Khắc Hải
K55
Hình 5. 24 Giao diện download chương trình xuống PLC S7-1200
Trong đó:
- Type of the PG/PC interface : giao thức truyền – PN/IE
- PG/PC interface : tên card Enthernet trên máy tính , nạp chương trình qua cổng Enthernet nên chọn card Realtek PCIe FE Family Controller
Sau đó nhấn Start search để tìm PLC , sau khi tìm, chọn PLC và nhấn Load để download chương trình cấu hình phần cứng xuống PLC S7-1200
Hình 5. 25 Tìm kiếm PLC trong mạng
65
K55
5.3.2. Lập trình PLC S7-1200 trên TIA Portal
Tạo các khối chương trình
Tia Portal luôn tạo sẵn 1 khối OB Main là khối chương trình chính của project, tùy vào nhu cầu sinh viên có thể tạo thêm các khối chương trình khác.
Bước 1. Ở thanh Project tree nhấp 2 lần vào Add new block
Hình 5. 26 Tao block cho chương trình
Bước 2. Màn hình Add new block sẽ hiện ra cho chọn khối muốn tạo
- Organization block: Program cycle, Start up, Time delay interrupt, Cylic interrupt…
- Function block, Function, Data block.
- Cho phép lựa chọn ngon ngử lập trình: LAD, FBD, SCL.
66
chương trình
- Trong chương trình PLC dùng các khối sau:
+ Main (OB1): chương trình chính gồm các lệnh cho quá trình calib, truyền thông Modbus RTU giao tiếp với biến tần, kiểm tra các lỗi cũng như vận hành mô hình.
+ tính khối lượng (FB1): xử lí tín hiệu analog để tính khối lượng thực tế. + tính tốc độ hiện tại [FB2]: xử lí tín hiệu Encoder để tính vận tốc dịch chuyển của băng tải
+ zero calibration [FB3] : tính giá trị trừ bì
+ PID (OB31): là cyclic interrupt để chạy khối PID và xuất tính hiệu xuống biến tần.
+ Các khối DB tương ứng với các FB và khối DB Data để lưu trữ dữ liệu.