CHƢƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.3. Phƣơng pháp thực hiện nội dung 2
dụng trong mô hình.
Thiết bị sử dụng trong mô hình ứng với các phần trong sơ đồ khối nhƣ sau:
Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống
Mỗi khối có một chức năng nhiệm vụ riêng:
+ Khối nguồn: gồm có nguồn 220V cấp nguồn cho PLC và 3 nguồn tổ ong cấp nguồn một chiều phù hợp cho từng thiết bị.
+ Khối cảm biến: gồm có 8 cảm biến và 4 công tắc hành trình, khi cảm biến và công tắc hành trình bị tác động sẽ phản hồi tín hiệu về khối xử lý trung tâm.
+ Khối xử lý trung tâm: Bộ điều khiển PLC có nhiệm vụ nhận và xử lý tín hiệu đầu vào, sau đó gửi tín hiệu điều khiển đến khối trung gian và khối hiển thị.
+ Khối hiển thị: là một màn hình giám sát trên máy tính hiển thị số xe, chỗ còn trống, cảnh báo.
+ Khối trung gian: gồm có 1 module L298, 2 role trung gian. Khối trung gian có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm để điều khiển động cơ.
+ Động cơ: gồm có 2 động cơ DC, động cơ nhận tín hiệu điều khiển từ khối trung gian và chấp hành.
a. Khối nguồn
Trong đề tài, các linh kiện chủ yếu dùng nguồn điện một chiều, có điện áp thấp. Mỗi linh kiện dùng nguồn điện áp khác nhau:
Bảng 2.1. Điện áp của các thiết bị trong đề tài
Thiết bị Điện áp
PLC 220V
Nguồn tổ ong 220V
Role trung gian 24V
Công tắc hành trình 24V
Cảm biến 12V
Module L298 5V
Động cơ 5V
Em sử dùng nguồn tổ ong để chuyển điện áp xoay chiều sang điện áp một chiều để cấp nguồn cho các thiết bị.
* Nguồn tổ ong
Hình 2.3. Nguồn tổ ong
Nguồn tổ ong là cách gọi khác của nguồn xung. Tên nguồn tổ ong bắt nguồn từ hình dạng các lỗ thông hơi thoát nhiệt của bộ nguồn xung đƣợc đục
lỗ lục giác giống với cấu tạo của tổ ong nên dân gian gọi vậy cho thân thuộc dễ nhớ. Nguồn xung là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung.
+ Ưu điểm: Giá thành rẻ, gọn, nhẹ dễ tích hợp cho những thiết bị nhỏ gọn, hiệu suất cao.
+ Nhược điểm: Tuổi thọ thƣờng không cao do cấu tạo chủ yếu bằng các linh kiện bán dẫn.
- Thông số kỹ thuật
+ Điện áp đầu vào: AC 220V ( Chân L và N ) + Điện áp đầu ra: DC 5V - 12V - 24V
+ Dòng ra: nhỏ hơn 5A + Bảo vệ quá nhiệt độ: 70°C
+ Môi trƣờng làm việc: -10 ℃ ~ 50 ℃ b. Khối cảm biến
Khối cảm biến gồm 8 cảm biến ánh sáng và 4 công tắc hành trình. Trên thị trƣờng có rất nhiều loại cảm biến với những tính năng, chất liệu, cấu tạo khác nhau từ đó giá thành cũng tùy thuộc vào từng loại sản phẩm. Trong đề tài, em dùng “Module cảm biến ánh sáng + Relay DC12V”:
+ Thiết kế nhỏ gọn, đơn giản rất phù hợp để làm mô hình + Hoạt động khá ổn định
* Module cảm biến ánh sáng + Relay DC12V - Cấu tạo:
Hình 2.4. Cấu tạo cảm biến ánh sáng
- Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp sử dụng: DC12V
+ Tiếp điểm Relay: 220V 10A (Không có điện áp ra) + Dòng tiêu thụ: 100mA
+ Nhiệt độ môi trƣờng xung quanh: -30o
C to 70oC + Đỉnh quang phổ: 540nm
+ Thời gian đáp ứng: 20ms - Nguyên lý hoạt động:
Trong điều kiện cảm biến ở môi trƣờng ánh sáng tốt. Khi ô tô đi qua cản sáng quang trở, quang trở cảm nhận đƣợc vật cản sẽ tác động đến relay đóng tiếp điểm làm đóng kín mạch gửi tín hiệu về bộ xử lý trung tâm.
* Công tắc hành trình
Công tắc hành trình là một công tắc tức là làm chức năng đóng mở mạch điện, nhƣng nó đƣợc đặt trên đƣờng hoạt động của một cơ cấu sao cho khi cơ cấu đến một vị trí nào đó sẽ tác động lên công tắc. Hành trình có thể là tịnh tiến hoặc quay.
Hình 2.5. Công tắc hành trình
Khi công tắc hành trình đƣợc tác động thì nó sẽ làm đóng hoặc ngắt một mạch điện do đó có thể ngắt hoặc khởi động cho một thiết bị khác. Có thể dùng công tắc hành trình vào mục đích nhƣ:
+ Giới hạn hành trình (khi cơ cấu đến vị trí giới hạn tác động vào công tắc sẽ làm ngắt nguồn cung cấp cho cơ cấu nên cơ cấu đó không thể vƣợt qua vị trí giới hạn).
+ Hành trình tự động: Kết hợp với các rơle, PLC hay vi điều khiển để khi cơ cấu đến vị trí định trƣớc sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động (hoặc chính cơ cấu đó).
Công tắc hành trình với kích thƣớc nhỏ gọn thích hợp với các dự án robot, mô hình, các hệ thống tự động.
- Thông số kỹ thuật: + Nhiệt độ: -25 – 65oC
+ Điện áp chịu đƣợc: 300 VAC (50Hz)/min + Điện trở kháng: nhỏ hơn 0,03 Ω
+ Tần số đóng cắt: 300/min
c. Khối xử lý trung tâm
Em sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-1200. Hãng Siemens vừa giới thiệu ra thị trƣờng bộ điều khiển PLC cỡ nhỏ S7-1200, nhƣ là sự tiếp nối phát triển của S7-200 – bộ điều khiển đã quen thuộc với ngƣời sử dụng.
Hình 2.6. PLC S7-1200
Với thiết kế theo dạng module, tính năng cao, 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 S7-1200 đƣợc 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 hỗ trợ rất tốt trong quá trình thiết kế, lập trình đúng với yêu cầu công nghệ, giúp cho việc lập trình, kết nối và thiết kế giao diện HMI nhanh chóng, đơn giản, hiệu quả.
1. Bộ phận kết nối nguồn 2. Các ngõ vào ra
3. Hệ thống đèn LED báo trạng thái các ngõ vào/ra 4. Bộ phận kết nối Profinet
Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ chƣơng trình khác nhau. S7-1200 có 3 dòng là CPU 1211C, CPU1212C và 1214C.
Các đặc tính của CPU S7-1200 đƣợc thể hiện trong bảng sau:
Bảng 2.2. Đặc tính của các CPU S7-1200
Chứcnăng CPU1211C CPU1212C CPU1214C
Kích thƣớc vật lý (mm) 90 x 100 x 75 110 x 100 x 75 Bộ nhớ ngƣời dùng: Bộ nhớ làm việc Bộ nhớ nạp Bộ nhớ giữ lại 25 kB 1 MB 2 kB 50 kB 2 MB 2 kB I/O tích hợp cục bộ Kiểu số Kiểu tƣơng tự 6 ngõ vào / 4 ngõ ra 2 ngõ ra 8 ngõ vào / 6 ngõ ra 2 ngõ ra 14 ngõ và/ 10 ngõ ra 2 ngõ ra Kích thƣớc ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)
Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte
Độ mở rộng của các module
tín hiệu Không 2 8
Bảng tín hiệu 1
Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái)
Trong đề tài, em sử dụng CPU 1214C vì một số lý do:
+ Có 14 input/ 10 output đáp ứng đủ yêu cầu công nghệ 14 input/4 output + Hỗ trợ truyền thông PROFINET Ethernet communication port nên dễ
Bảng 2.3. Thông số các kiểu module của PLC S7-1200
Module Chỉngõvào Chỉngõ ra KếthợpIn/Out
Module tín hiệu (SM) Kiểu số 8 x DC In 8 x DC Out 8 x Relay Out 8 x DC In / 8 x DC Out 8 x DC In / 8 x Relay Out 16 x DC In 16 x DC Out 16 x Relay Out 16 x DC In / 16 x DC Out 16 x DC In / 16 x Relay Out Kiểu tƣơng tự 4 x Analog In 8 x Analog In 2 x Analog In 4 x Analog In 4 x Analog In / 2 x Analog Out Bảng tín hiệu (SB) Kiểu số _ _ 2 x DC In / 2 x DC Out Kiểu tƣơng tự _ 1 x Analog In _
Module truyền thông (CM) RS485
RS232
* Cách kết nối module mở rộng, board tín hiệu mở rộng với PLC S7-1200:
Hình 2.8. Sơ đồ kết nối CM, SB, SM với PLC S7-1200
1. CM
2. PLC S7-1200
3. Cổng giao tiếp Profinet
4. SB 5. SM
Số module truyền thông tối đa có thể kết nối với một PLC là 3, đƣợc chèn vào phía bên trái PLC ở các khe: 101, 102 và 103. Board tín hiệu (SB) tối đa là 1 đƣợc chèn vào CPU. Số module mở rộng (SM) tối đa có thể kết nối đƣợc với PLC là 8, đƣợc chèn vào phía bên phải của PLC, đƣợc chèn vào các khe từ 2 đến 9.
* Kết nối vào/ ra của PLC với các thiết bị ngoại vi:
Hình 2.9. Kết nối vào/ra của PLC với các thiết bị ngoại vi
Bộ xử lý trung tâm PLC là nơi xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài. Tín hiệu vào có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến, các tế bào quang điện, … Tín hiệu ra có thể cung cấp cho các cuộn dây công tắc tơ, các rơ le, các van điện từ, các động cơ nhỏ, … Tín hiệu vào/ra có thể là các tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic, … Ngoài ra còn kết nối truyền thông với máy tính, PLC – PLC.
* Công cụ lập trình cho S7-1200 là phần mềm Step7 Professional đƣợc tích hợp trong phần mềm TIA Portal của Siemens.
Nút bấm và các công tắc logic giới hạn Bộ chuyển mạch, công tắc hành trình, giới hạn Các tham số điều khiển nhƣ to, áp suất, áp lực Các tín hiệu báo động … PLC Các đèn Các van Các cuộn hút Máy tính, PLC, màn hình HMI…
Hình 2.10. Giao diện phầm mềm TIA Portal 13
* Ƣu điểm của S7-1200 so với S7-200 - Về phần cứng:
Khả năng mở rộng: Nếu nhƣ S7-200 chỉ dừng lại ở khả năng mở rộng tối đa 7 module thì với S7-1200 cho phép mở rộng tối đa 8 module tín hiệu, 2 board tín hiệu và 3 module truyền thông
Hình 2.11. Khả năng mở rộng của S7-200 và S7-1200
Xét về cấu hình phần cứng, S7-1200 cho phép ngƣời dùng thay đổi địa chỉ vùng nhớ I/O, còn S7-200 không thể thay đổi đƣợc.
Hình 2.12. Cấu hình I/O của S7-200 và S7-1200
Xét về tín hiệu I/O và tín hiệu trên PLC: S7-200 chỉ hỗ trợ tối đa 1 module analog output, 2 ngõ ra phát xung tốc độ cao PWM/PTO, 8 bộ PID thì với S7-1200 cho phép hỗ trợ tối đa 1 module analog output và 1 board analog output, 4 ngõ ra phát xung tốc độ cao PWM/PTO, và đến 16 bộ PID.
Hình 2.13. Tín hiệu I/O và tín hiệu trên PLC của S7-200 và S7-1200
- Về phần mềm:
S7-200 chỉ cho phép lập trình trên một chƣơng trình chính duy nhất, còn với S7-1200 cho phép ngƣời dùng lập trình trên nhiều chƣơng trình chính độc lập, giúp ngƣời sử dụng quản lý lập trình dễ dàng và khoa học hơn.
Hình 2.14. Cấu trúc lập trình trên S7-200 và S7-1200
S7-200 chỉ cho phép lồng chƣơng trình con 8 lần, còn với S7-1200 thì khả năng lồng chƣơng trình con lên đến 16 lần.
Hình 2.15. Cấu trúc chương trình con trên S7-200 và S7-1200
Cấu trúc chƣơng trình con trên S7-200 không cho phép lập trình với biến nhớ tạm thời, do đó chu trình quét của PLC sẽ kéo dài hơn do PLC phải quét hết các biến trên vùng nhớ mà PLC quản lý. Còn với S7-1200, cấu trúc
chƣơng trình con cho phép lập trình với biến nhớ tạm thời, khi tiến hành chu trình quét, PLC chỉ quét các giá trị điểm đầu và giá trị điểm cuối, không phải quét qua các giá trị biến nhớ trung gian tạm thời, chính điều này giúp giảm bớt thời gian quét của PLC giúp PLC xử lý công việc nhanh và mƣợt hơn.
Hình 2.16. Cấu trúc chương trình con FC
Khi so sánh về cấu trúc dữ liệu, S7-1200 có cấu trúc dữ liệu kiểu mới, giúp ngƣời sử dụng có thể tiết kiệm dữ liệu hoặc mở rộng vùng dữ liệu một cách dễ dàng. Kiểu Short giúp tiết kiệm dữ liệu và kiểu Unsigned giúp mở rộng dữ liệu.
d. Khối hiển thị
Phần hiển thị đƣợc thể hiện trên màn hình máy tính qua giao diện MHI – thiết kế bằng phần mềm SIMATIC WinCC Explorer V7.4 trên máy tính.
HMI (Human Machine Interface) là giao diện giữa ngƣời và máy là một hệ thống dùng để ngƣời dùng giao tiếp thông tin qua lại với hệ thống điều khiển thông qua bất kỳ mọi hình thức. HMI cho phép ngƣời dùng theo dõi, ra lệnh điều khiển toàn bộ hệ thống và có giao diện đồ họa giúp cho ngƣời dùng có cái nhìn trực quan về tình trạng của hệ thống.
* Phần mềm SIMATIC WinCC Explorer V7.4
SIMATIC WinCC Explorer là phần mềm của hãng Siemens dùng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất. Rõ hơn, WinCC là chƣơng trình dùng để thiết kế các giao diện Ngƣời và Máy – HMI trong hệ thống Scada (Supervisory Control And Data Acquisition), chức năng chính là thu thập số liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất. Với WinCC, có thể trao đổi dữ liệu với PLC của nhiều hãng khác nhau nhƣ: Siemens, Mitsubishi, Allen braddly, Omron,.. thông qua cổng truyền thông của PLC.
Với WinCC, có thể tận dụng nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết công việc, từ thiết kế cho hệ thống có quy mô nhỏ đến quy mô lớn. WinCC có thể mô phỏng bằng hình ảnh các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dƣới dạng chuỗi sự kiện. Để đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng phát triển, WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị, thông báo, ghi báo cáo, xử lý thông tin đo lƣờng, các tham số công thức…và là một trong những chƣơng trình thiết kế giao diện Ngƣời và Máy – HMI đƣợc tin dùng nhất hiện nay.
Khi sử dụng WinCC để thiết kế giao diện Ngƣời và Máy – HMI. WinCC sử dụng các chức năng phổ biến sau:
Hình 2.18. Giao diện phần mềm WinCC Explorer
+ Computer: Quản lý tất cả các WorkStation và Server nằm trong Project.
+ Tag Managerment: là khu vực quản lý tất cả các kênh, các quan hệ Logic, các Tag Process, Tag Internal và Tag Groups.
+ Graphics Designer: Thực hiện dễ dàng các chức năng mô phỏng và hoạt động qua các đối tƣợng đồ họa của chƣơng trình WinCC, Windows, I/O... và các thuộc tính hoạt động (Dynamic).
+ Alarm Logging: Thực hiện việc hiển thị các thông báo hay các cảnh báo khi hệ thống vận hành. Nhận các thông tin từ các quá trình, hiển thị, hồi đáp và lƣu trữ chúng. Alarm Logging còn giúp ta phát hiện ra nguyên nhân của lỗi.
+ Tag Logging: Thu thập, lƣu trữ và xuất ra dƣới nhiều dạng khác nhau từ các quá trình đang thực thi.
+ Report Designer: Tạo ra các thông báo, kết quả và các thông báo này đƣợc lƣu dƣới dạng nhật ký sự kiện.
+ Global Scrips: Cho phép tạo ra một dự án động đặc biệt theo yêu cầu. Trình soạn thảo này cho phép tạo ra các hàm giống nhƣ trong
ngôn ngữ C và các hành động mà có thể sử dụng trong suốt dự án hoặc qua nhiều dự án phụ thuộc trong cùng loại đó.
+ User Achivers: Cho phép ngƣời sử dụng lƣu trữ dữ liệu từ chƣơng trình ứng dụng và có khả năng trao đổi với các thiết bị khác. Trong WinCC, các công thức và ứng dụng có thể soạn thảo, lƣu trữ và sử dụng trong hệ thống.
Trong WinCC có một phần quan trọng đó là Tag và Tag Group. Tag là một thành phần trung gian cho việc truy cập các biến quá trình. WinCC Tag đƣợc gán bởi các mối quan hệ logic, các mối liên hệ đƣợc định rõ bởi kênh phân phối các giá trị quá trình tới các Tag sử dụng tại các điểm nối. Sau khi