Định dạng dữ liệu Giá trị chuyển đổi Tín hiệu khơng đối xứng
(010V, 020mA)
0 đến +32000 Kiểu tín hiệu đối xứng
(10V, 10mA,) - 32000 đến +32000
Hình 1. 20 Sơ đồ mô tả nguyên lý làm việc của module EM235 Analog Input (A/D) Các con số Analog Output (D/A) Các con số Đầu đo Thiết bị chuyển đổi Thiết bị cảm biến Module analog Tín hiệu vào khơng điện 0 – 10V 4-20mA Tín hiệu ra tương tự 0 – 10 V
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
1.4.5 Động cơ điện DC khơng chổi than
Hình 1. 21 Động cơ khơng chổi than
Cũng giống với những động cơ đồng bộ thông thường, những cuộn dây BLDC (Brushless DC motor) được đặt lệch nhau 120 độ trong không gian của stator. Những thanh nam châm được gắn chắc chắn vào thân rotor làm nhiệm vụ kích từ cho động cơ. Điểm khác biệt của động cơ BLDC so với những động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khác là thiết bị này bắt buộc phải cảm biến vị trí rotor để động cơ có thể hoạt động. Động cơ khơng chổi than sử dụng bộ điều khiển để tạo ra sự chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.Được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp tự động, máy in, ô tơ, tiêu dùng. Có các ưu điểm sau:
Hiệu suất cao khoảng 85-90%, vận hành nhẹ nhàng, êm ái dù ở vận tốc thấp hay cao.
Do được kích từ nam châm vĩnh cửu nên có thể giảm tổn hao đồng và sắt, đồng thời giảm hao tốn nguồn năng lượng.
Có thể tăng tốc và giảm tốc trong khoảng thời gian ngắn. Độ bền của động cơ (motor) cao hơn.
Thông số kĩ thuật của động cơ: Công suất đầu ra: 50W Điện áp : 24V
Dòng điện: 3.1A
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
1.4.6 PLC S7-200
Hình 1. 22 PLC S7-200
PLC là từ viết tắt của Programable Logic Controller, đây là thiết bị điều khiển logic lập trình được, nó cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển logic thơng qua một ngơn ngữ lập trình. S7-200 là thiết bị của hãng Siemens, cấu trúc theo kiểu modul có các modul mở rộng. Thành phấn cơ bản của S7-200 là khối vi xử lý CPU212 hoặc CPU214.
Cổng truyền thông:
Chân 1: Nối đất
Chân 2: Nối nguồn 24VDC
Chân 3: Truyền và nhận dữ liệu
Chân 4: Không sử dụng
Chân 5: Nối đất
Chân 6: Nối nguồn 5VDC
Chân 7: Nối nguồn 24VDC
Chân 8: Truyền và nhận dữ liệu
Chân 9: Không sử dụng
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
Hình 1. 23 Cấu trùc tổng quát PLC
Nguồn cung cấp (Power Supply)
Nguồn có thể tích hợp sẵn bên trong PLC hoặc làm riêng bên ngồi. Có nhiều cấp điện áp khác nhau tùy loại PLC, gồm 110VAC hoặc 220VAC hoặc 24VDC (hiện nay có hai cấp điện áp thường được sử dụng là 24VDCvà 220V-AC
Khối xử lý trung tâm CPU (Central Proceesoing Unit).
Đây là bộ xử lý trung tâm làm việc như 1 máy tính, dùng để lưu trữ và xử lý chương trình theo yêu cầu của người lập trình.
Ngõ vào (Input).
Các loại cảm biến, cơng tắc, nút nhấn… đưa tín hiệu vào PLC thơng qua module Input. Tùy vào loại tín hiệu của cảm biến là số hay tương tự mà moudle ngõ vào của PLC cũng có hai loại là Module số (Digital Module) và Module tương tự (Analog Module).
Khối ngõ ra (Output).
Các loại cơ cấu chấp hành như: Bóng đèn, cuộn dây, biến tần…..được điều khiển bởi PLC thông qua module Output. Tùy vào đối tượng điều khiển cần tín hiệu số hay tương tự mà moudle ngõ ra của PLC cũng có hai loại là module số ngõ ra (Digital Output Module) và module ngõ ra tương tự (Analog Output Module).
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
Đèn báo
Dùng để chỉ báo trạng thái PLC, gồm nguồn, chạy chương trình, lỗi hệ thống. Các cảnh báo này rất cần thiết trong chẩn đoán sự cố.
- Đèn Run- màu xanh: Chỉ định PLC ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của chương trình.
-Đèn Stop- màu vàng: Chỉ định PLC ở chế độ Stop, dừng chương trình đang thực hiện lại (các đầu ra đều ở chế độ off)
-Đèn SF- màu đỏ: Đèn báo hiệu hệ thống bị hỏng, có nghĩa là lỗi phần cứng hoặc nhà điều hành, ở đây phân biệt rõ lỗi hệ thống và lỗi chương trình người dung, khi lỗi chương trình người dùng thì CPU khơng thể nhận biết được vì trước khi download xuống CPU thì phần mềm lập trình đã làm nhiệm vụ kiểm tra trước khi mở máy.
-Đèn Ix.x-màu xanh: Chỉ định trạng thái On/Off của đầu vào. -Đèn Qx.x-màu xanh: Chỉ định trạng thái On/Off của đầu ra.
Phương thức hoạt động:
Hình 1. 24 Chu kỳ quét của PLC
PLC thực hiện chương trình cheo chu trình lặp. Mỗi vịng lặp được gọi là vòng quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo ngõ vào (I), tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng dịng qt, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo ngõ ra (Q) tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Một chu kỳ quét của PLC thể hiện trên Hình 1. 24 trong đó:
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
-Read Input (Đọc ngõ vào): PLC đọc trạng thái của toàn bộ các ngõ vào và chứa vào bộ đệm ngõ vào.
-Execute Program (Thực thi chương trình): PLC dựa vào các trạng thái ngõ vào để thực thi theo chương trình đã được lưu trong bộ nhớ đệm ngõ ra.
-Diagnostics Communications (Chẩn đốn và truyền thơng): PLC tiến hành chẩn đoán lỗi và kiểm tra q trình truyền thơng.
-Update Outputs (Xuất kết quả): PLC xuất kết quả trong vùng nhớ đệm ngõ ra để điều khiển thiết bị ngoại vi.
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét khơng cố định, tức là khơng phải vịng qt nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Có vịng qt thực hiện lâu, có vịng qt thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu truyền thơng trong vịng qt đó.
Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính tốn và việc gửi tín hiệu điều khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vịng qt. Nói cách khác, thời gian vịng qt quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC. Thời gian qt càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao.
- Chương trình trong PLC S7-200 có cấu trúc bao gồm chương trình chính (main program) và sau đó đến các chương trình con và các chương trình xử lý ngắt. Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình MEND. Chương trình con là một bộ phận của chương trình chính và được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính. Chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chương trình chính. Nếu cần sử dụng thì chương trình xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc chương trình chính.
-Phân chia bộ nhớ của S7-200
Bộ nhớ của S7- 200 được chia thành 4 vùng với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn cung cấp. Bộ nhớ có tính năng động cao, đọc và ghi được trong toàn vùng, loại trừ phần các bit nhớ đặc biệt. 4 vùng nhớ gồm:
Vùng chương trình: là miền bộ nhớ được sử dụng để lưu giữ các lệnh chương trình. Vùng này thuộc kiểu non-volatile.
Vùng tham số: là miền lưu giữ các tham số như: từ khố, địa chỉ trạm...Nó thuộc kiểu non-volatile.
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hoá
Vùng dữ liệu: là miền nhớ động, có thể truy cập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn và từ kép. Được dùng để lưu trữ các thuật tốn, các hàm truyền thơng, lập bảng, các hàm dịch chuyển, xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ. Vùng dữ liệu được chia thành nhiều miền nhớ nhỏ với các chức năng khác nhau.
* V Variable memory * I Input image register * O Output image register * M Internal memory bits * SM Special memory bits
Vùng đối tượng: được sử dụng để lưu trữ cho các đối tượng lập trình như các giá trị tức thời, giá trị đặt trước của bộ đếm, hay Timer. Dữ liệu kiểu đối tượng bao gồm các thanh ghi của Timer, bộ đếm, các bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào/ra tương tự và các thanh ghi Accumulator(AC). - Vùng đối tượng cũng được phân ra thành nhiều vùng nhỏ.
Các ưu điểm khi sử dụng PLC S7-200
Kích cỡ nhỏ.
Thay đổi thiết kế dễ dàng và nhanh khi có yêu cầu về kỹ thuật,qui trình cơng nghệ
Có chức năng chẩn đốn lỗi và ghi đè.
Các ứng dụng của S7-200 có thể dẫn chứng bằng tài liệu.
Các ứng dụng được phân bố nhân bản nhanh chóng và thuận tiện.
S7-200 có thể điều khiển hoàng loạt các ứng dụng khác nhau trong tự động hoá.Với cấu trúc nhỏ gọn,có khả năng mở rộng, giá rẻ và một tập lệnh Simatic mạnh của S7-200 là một lời giải hồn hảo cho các bài tốn tự động hoá vừa và nhỏ.
Ngồi ra S7-200 cịn có các ưu điểm sau đây :
Cài đặt, vận hành đơn giản.
Các CPU có thể sử dụng trong mạng,trong hệ thống phân tán hoặc sử dụng đơn lẻ.
Có khả năng tích hợp trên qui mơ lớn.
Ứng dụng cho các điều khiển đơn giản và phức tạp.
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
Chương 2: THU THẬP DỮ LIỆU ĐỂ NHẬN DẠNG HỆ THỐNG
2.1 Mục đích của thu thập dữ liệu
Muốn nhận dạng được mơ hình tốn học của hệ thống ta cần thu thập dữ liệu của hệ thống thật.
Để thu thập được dữ liệu này ta thực hiện các bước sau :
B1: Viết chương trình trên V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9 để đưa điện áp vào và nhận được chiều cao ở đầu ra
B2: Thiết kế giao diện Win CC để đưa các dữ liệu từ V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9 ra B3: Kết nối PLC s7-200 với V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9
B4: Kết nối WinCC với V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9 thông qua PC ACCESS. B5: Lấy dữ liệu trên WinCC
2.2 Giới thiệu các phầm mềm sử dụng để thiết kế chương trình và giao diện lấy dữ liệu liệu
2.2.1 PC ACCESS
Hình 2. 1 Giao diện PC ACCESS
Như chúng ta đều biết, WinCC không hỗ trợ driver kết nối trực tiếp riêng với PLC S7-200. Do đó chúng ta khơng thể kết nối WinCC với S7-200 theo cách thông thường vốn rất dễ dàng với PLC S7-300, S7-400.
Tuy nhiên, chúng ta có một giải pháp để kết nối S7-200 và WinCC với nhau. Đó là dùng PC-Access OPC Sever (S7-200) và kênh giao tiếp WinCC OPC (có sẵn trong WinCC. Theo phương thức này WinCC không giao tiếp trực tiếp với PLC S7-200 mà thông qua S7-200 PC Access.
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố
2.2.2 WinCC 7.4
Hình 2. 2 Logo WinCC
WinCC là 1 trong các chương trình ứng dụng Scada (HMI-Human Machine Interface) trong lĩnh vực dân dụng cũng như công nghiệp. WinCC được dùng để điều hành các màn hình hiển thị và hệ thống điều khiển trong tự động hố sản xuất và q trình.
WinCC viết tắt của Window Control Center, là một phần mềm của hãng siemens dùng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất. Theo nghĩa hẹp WinCC là chương trình hỗ trợ cho người lập trình thiết kế các giao diện Người và Máy (HMI) trong hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), với chức năng chính là thu thập số liệu, giám sát và điều khiển q trình sản xuất. Những thành phần có trong WinCC dễ sử dụng, giúp người dùng tích hợp những ứng dụng mới hoặc có sẵn mà khơng gặp bất kì trở ngại nào.
WinCC cung cấp các module chức năng thường dùng trong công nghiệp như: Hiển thị hình ảnh, tạo thơng điệp, lưu trữ và báo cáo. Giao diện điều khiển mạnh, việc truy cập ảnh nhanh chóng và chức năng lưu trữ an tồn (bảo mật) của nó đảm bảo tính hữu dụng cao.
Với WinCC người dùng có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhiều PLC của các hãng khác nhau như Misubishi, Allen Braddly, Siemens… thông qua cổng COM với chuẩn RS-232 của máy tính với chuẩn RS-485 của PLC.
Các ứng dụng phổ biến:
-Tự động hố q trình điều khiển và giám sát quy trình sản xuất.
-Khi một hệ thống dùng chương trình WinCC để điều khiển và thu thập dữ liệu từ q trình, nó có thể mơ phỏng bằng hình các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng các chuỗi sự kiện.
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hoá
-WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị, thơng báo bằng đồ hoạ, xử lí thơng tin đo lường, các tham số cơng thức, các bảng ghi báo cáo, … đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày một phát triển và là một trong những chương trình ứng dụng trong thiết kế giao diện Người – Máy (HMI), sử dụng phổ cập nhất tại Việt Nam hiện nay vào hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt tại nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam.
Khi sử dụng WinCC để thiết kế giao diện điều khiển Người – Máy (HMI) và mạng SCADA, WinCC sử dụng các chức năng sau:
- Graphics Designer: Thực hiện dễ dàng các chức năng mô phỏng và hoạt động qua các đối tượng đồ hoạ của chương trình WinCC, Windows, OLE, I/O,…với nhiều thuộc tính hoạt động ( Dynamic)
- Alarm Logging: Thực hiện việc hiển thị các thông báo hay các báo cáo trong khi hệ thống vận hành. Đảm trách về các thông báo nhận được và lưu trữ. Nó chứa các chức năng để nhận các thơng báo từ các q trình, để chuẩn bị, hiển thị, hồi đáp và lưu trữ chúng. Ngồi ra Alarm Logging cịn giúp ta tìm ra nguyên nhân của lỗi.
- Tag Logging: Thu thập, lưu trữ và nén các giá trị đo dưới nhiều dạng khác nhau. Tag Logging cho phép lấy dữ liệu từ các quá trình thực thi, chuẩn bị để hiển thị và lưu trữ các dữ liệu đó. Dữ liệu có thể cung cấp các tiêu chuẩn về công nghệ và kỹ thuật quan trọng liên quan đến trạng thái hoạt động của toàn hệ thống.
- Report Designer: Có nhiệm vụ tạo các thông báo, báo cáo và các kết quả này được lưu dưới dạng các trang nhật kí sự kiện.
- User Achivers: Cho phép người sử dụng lưu trữ dữ liệu từ chương trình ứng dụng và có khả năng trao đổi với các thiết bị tự động hoá khác. Điều này có nghĩa các cơng thức, thơng số trong chương trình WinCC có thể được soạn thảo, lưu trữ và sử dụng trong hệ thống.
WinCC sử dụng bộ công cụ thiết kế giao diện đồ hoạ mạnh như: Toolbox, các Control, OLE,… được đặt dễ dàng trên giao diện thiết kế. Ngoài ra để phục vụ cho công việc giám sát điều khiển tự động WinCC cịn trang bị thêm nhiều tính năng mới mà các cơng cụ khác khơng có như:
- Các Control thông qua hệ thống quản trị dữ liệu có thể gắn với 1 biến theo dõi trạng thái của hệ thống điều khiển. Thơng qua đó tác động đến việc giám sát các trạng thái.
- Thông qua hệ thống thơng điệp có thể thực hiện được những hành động tương ứng khi trạng thái thay đổi.
S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống tại phịng thí nghiệm tự động hố