7. Ngày hoàn thành đồ án:
4.4. Tìm hiểu các thiết bị trong hệ thống
4.4.1. PLC
PLC là chữ viết tắt của chữ tiếng Anh Programmable Logic Controller nghĩa là bộ điều khiển logic lập trình được.
PLC là thiết bị điều khiển có cấu trúc máy tính bao gồm bộ xử lý trung tâm CPU
(Central Processing Unit), bộ nhớ ROM, bộ nhớ RAM, dùng để nhớ chương trình ứng dụng, và các cổng vào ra – INPUT / OUTPUT.
Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển
Hình 1.1. Nguyên lý cấu tạo chung của PLC
a. Module CPU
Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)… và có thể có 1 vài cổng vào ra số. Các cổng vào ra số có trên module CPU được gọi là cổng vào/ra onboard.
PLC S7_300 có nhiều loại module CPU khác nhau. Chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như module CPU312, module CPU314, module CPU315…
Những module cùng sử dụng 1 loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ IFM(Intergrated Function Module). Ví dụ như Module CPU312 IFM, Module CPU314 IFM…
Ngoài ra còn có các loại module CPU với 2 cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. Các loại module này phân biệt với các loại module khác bằng cụm từ DP (Distributed Port) như là module CPU315-DP.
b. Thiết kế module
Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra lớn cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà PLC S7 – 300 được chia nhỏ thành các module. Số module được sử dụng nhiều hay ít tùy theo từng bài toán, song tối thiểu bao giớ cũng có một module chính là module CPU. Các module còn lại gọi chung là các module mở rộng, bao gồm module nguồn nuôi, module ghép nối để nối các module mở rộng với nhau thành một khối thống nhất và được quản lý bởi một CPU, các module vào/ra để nhận/truyền tín hiệu với các đối tượng điều khiển, các module thực hiện chức năng chuyên dụng như PID, module điều khiển servo, module truyền thông để ghép nối mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính. Tất cả các module được gá trên những thanh ray gọi là giá đỡ
Hình 1.2. Các module của PLC
c. Module mở rộng:
Các module mở rộng được chia thành 5 loại chính:
PS (Power supply): Module nguồn nuôi. Có 3 loại:2A, 5A, 10A.
SM (Signal module):Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:
a) DI (Digital input): Module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module.
b) DO (Digital output): Module mở rộng các cổng ra số. . Số các cổng ra số mở rộng có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module.
c) DI/DO (Digital input/ Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số.. Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/8ra hoặc 16 vào/ 16 ra tuỳ từng loại module.
Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển
d) AI (Analog input): Module mở rộng các cổng vào tương tự. Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4, 8 tuỳ từng loại module.
e) AO (Analog output): Module mở rộng các cổng ra tương tự. Số các cổng ra tương tự có thể là 2, 4 tuỳ từng loại module.
f) AI/AO (Analog input/ Analog output): Module mở rộng các cổng vào/ra tương tự. Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hay 4 vào/4 ra tuỳ từng loại module.
IM (Interface module): Module ghép nối, nối các module mở rộng lại với nhau thành 1
khối và được quản lý chung bởi 1 module CPU. Thông thường các module mở rộng được gắn liền với nhau trên 1 thanh đỡ gọi là rack. Trên mỗi rack có thể gắn nhiều nhất là 8 module mở rộng (không kể module CPU, module nguồn nuôi). Một module CPU S7_300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 racks và các racks này phải được nối với nhau bằng module IM.
FM (Function module): Module có chúc năng điều khiển riêng. Ví dụ như module PID,
module điều khiển động cơ bước…
CP (Communication module): Module phục vụ truyền thông trong mạng giừa các PLC
với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.
d. Chọn các module cho PLC
Ở đây ta chọn các module cho PLC S7-300 như sau:
Bảng 2.1. Bảng chọn module cho PLC
Tên gọi Ký hiệu Thông số thiết bị Số lượng
(cái)
Khối nguồn PS 307 6ES7307-1KA00-0AA0 1
CPU 315-2DP 6ES7315-2AG10-0AB0/V2.0 1
Module ghép nối IM365 6ES7 365-1BA00-0AA0 1
Module tín hiệu vào SM321 6ES7 321-1BL00-0AA0 4
Module tín hiệu ra SM322 6ES7 322-1BL00-0AA0 4
Thanh đỡ Rack S7 6ES7 390-1AE70-0AA0 1
4.4.2. Mạng truyền thông PROFIBUS –DP
PROFIBUS – DP là một trong ba giao thức của PROFIBUS (Process Field Bus), ra đời vào năm 1993, được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu cao về tính năng thời gian thực trong trao đổi dữ liệu dưới cấp trường, là giải pháp tối ưu cho việc kết nối các thiết bị vào/ra phân tán và các thiết bị trường với các thiết bị điều khiển. Lúc đầu PROFIBUS –
DP được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp chế tạo, lắp ráp. Tuy nhiên gần đây phạm vi ứng dụng của nó ngày càng lan rộng ra nhiều lĩnh vực khác.
Truy nhập bus
Với dự án ta chỉ sử dụng có một S7 – 300 làm nhiệm vụ điều khiển cả hệ thống, còn các thiết bị còn lại là thiết bị vào-ra phân tán ET200M và encoder nên truy nhập bus sử dụng trong hệ thống mạng kiểu chủ/tớ là phù hợp nhất ( Master/Slave ). Thời gian cho trạm chủ hoàn thành việc hỏi tuần tự một vòng cũng chính là thời gian tối thiểu của chu kì bus. Do vậy, chu kì bus có thể tính toán trực tiếp được. Đây chính là một trong những yếu tố thể hiện tính năng thời gian thực của hệ thống. Một ưu điểm nữa của phương pháp này là việc kết nối đơn giản, đỡ tốn kém. Trạm chủ S7 – 300 lại là một thiết bị điều khiển nên việc tích hợp thêm chức năng xử lý truyền thông là điều không khó khăn.
Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp truy nhập chủ/tớ là hiệu suất trao đổi thông tin giữa các trạm tớ và hiệu suất sử dụng đường truyền bị giảm do dữ liệu phải đi qua khâu trung gian là trạm chủ. Đồng thời độ tin cậy của hệ thống truyền thông phụ thuộc vào một trạm chủ duy nhất. Trong trường hợp có xảy ra sự cố thì toàn bộ công đoạn ngừng làm việc.
4.4.3. Mạng MPI
Mạng MPI có những đặc điểm cơ bản sau:
• Các thiết bị trong mạng thuộc SIMATIC S7/M7 và C7 vì vậy cho phép thiết lập mạng đơn giản.
• Mạng được thiết lập với số lượng hạn chế các thành viên và chỉ có khả năng trao đổi một dung lượng thông tin nhỏ.
• Truyền thông thông qua bảng dữ liệu toàn cục gọi tắt là GD (Global Data). Bằng phương pháp này cho phép thiết lập bảng truyền thông giữa các trạm trong mạng trước khi thực hiện truyền thông.
• Có khả năng liên kết nhiều CPU và PG/OP với nhau. Các thông số kỹ thuật của mạng MPI:
• Chuẩn: SIEMENS.
• Số trạm cho phép: Max 32.
• Phương pháp thâm nhập đường dẫn: Token Passing. • Tốc độ truyền thông: Max 187,5 Kbit/s.
• Môi trường truyền dẫn: đôi dây kép có bọc kim chống nhiễu, cáp quang (thuỷ tinh hoặc chất dẻo).
Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển
• Chiều dài lớn nhất của mạng 50 m, với Repeater 1100 m,với cáp quang qua OLM>100 km.
• Cấu trúc mạng (Topology) : đường thẳng, cây, hình sao và vòng tròn.
• Dịch vụ truyền thông : các hàm chức năng của S7, bảng dữ liệu truyền thông toàn cục (GD).
Hình 3.1. Cấu trúc mạng MPI đơn giản
4.4.4. ET200M
ET200M là thiết bị vào-ra phân tán có nhiệm vụ truyền-nhận tín hiệu từ khối điều khiển CPU của các module S7-300 cục bộ. Nó có các ưu điểm:
• Linh động trong việc lắp đặt các thiết bị điều khiển trực tiếp tại nơi cần mà không bị hạn chế bởi các phương tiện và cấu trúc mạng
• Tăng số lượng đầu vào ra của hệ thống tự động hóa một cách dễ dàng mà vẫn đảm bảo cấu trúc mạng cũng như việc đi dây cáp truyền dẫn tín hiệu đơn giản, không gây rối rắm cho hệ thống.
• Giảm thiều được kích thước của tủ điều khiển
• Giảm thiểu được thời gian chết khi xảy ra các lỗi phần cứng và mạng
• Đơn giản hóa cấu trúc phần cứng khi thiết kế mạng truyền thông công nghiệp. Do vậy sự hoạt đọng của hệ thống cũng trở nên tin cậy hơn.
• Thuận tiện cho việc mở rộng hệ thống cũng như dễ dàng trong việc bảo dưỡng, sửa chữa và thay mới thiết bị.
ET200M có cấu hình củ hệ thống tự động hoá PLC S7-300 vàgồm có module IM153- x và các module vào-ra của S7-300.
Đặc điểm khi thiết kế ET200M:
• Mỗi một ET200M chỉ có thể được lắp đặt trên một thanh đỡ rack vì việc kết nối các thanh rack khác nhau thông qua module ghép nối là khồn được phép. • Mỗi một ET200M có các module chức năng hay các bộ xủ lý truyền thông có
thể được lồng vào dọc theo phía bên phải module IM153-x. Số lượng tối đa các module có thể được lắp đặt là 8 module S7-300.
Cấu hình các thiết bị yêu cầu cần có của ET200M:
Hình 4.1. Các thiết bị của một ET200M
Trong đó :
1 : đưa tới DP chủ 2 : đường rãnh 3 : thanh rack
4, 5 : các module của S7-300 ( có thể lên 8 module ) 6 : IM153-2
Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển
8 : cáp PROFIBUS-DP và bộ ghép nối đường truyền dẫn
Và cấu hình của ET200M khi lắp đặt tối đa các thiết bị mà nó có thể hỗ trợ:
Hình 4.2. cấu hình tối đa của thiết bị vào-ra phân tán ET200M
Trong đó:
1: module nguồn nuôi PS 307
2: module giao tiếp ( ghép nối ) IM153-2
3: Các module vào-ra. Ở đây lên tối đa 8 module
Ở đây module quan trọng nhất của ET200M có nhiệm vụ liên kết các module S7-300 cục bộ và ghép nối với PLC bằng phương thức truyền thông PROFIBUS là module ghép nối hỗ trợ truyền thông IM153-2. Đây chính là module trung gian cần phải có để thực hiện truyền-nhận tín hiệu giữa các module S7-300 với CPU của PLC.
Hình 4.3. Cấu tạo bên ngoài của module IM153-2
Trong dự án thay mới hệ điều khiển cho hai giàn cầu trục của thủy điện Trị An. Tại cabin ta dùng thiết bị vào-ra phân tán ET200M làm module DP tớ để truyền-nhận tín hiệu từ tủ PLC.
Ở đây ta chọn các module cho ET200M như sau:
Bảng 3.1. Bảng chọn module cho ET 200M
Tên gọi Ký hiệu Thông số thiết bị Số lượng
(cái)
Khối nguồn PS 307 6ES7307-1EA00-0AA0 1
Module kết nối vào-ra IM153-2 6ES7153-2AA00-0XB0 1
Module tín hiệu vào SM321 6ES7 321-1BL00-0AA0 1
Module tín hiệu ra SM322 6ES7 322-1BL00-0AA0 1
Thanh đỡ Rack S7 6ES7 390-1AE70-0AA0 1
Và việc truyền tín hiêu qua mạng PROFIBUS-DP sử dụng cáp đồng với rắc cắm 9 chân theo tiêu chuẩn kết nối RS485
4.4.5. Biến tần.a. Bộ điều khiển số. a. Bộ điều khiển số.
Các chế độ của biến tần
- Drive mode: Biến tần có thể chạy ở chế độ này. Sử dụng chế độ này khi giám sát các giá trị như tần số đặt, hay là dòng ra, hiển thị thông tin lỗi hoặc hiển thị quá trình lỗi.
Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển
- Quick programming mode: Sử dụng chế độ này để chuẩn hóa và đặt hằng số nhỏ nhất để điều khiển biến tần(môi trường điều khiển của biến tần và bộ điều khiển số).
- Advanced programming mode: Sử dụng chức năng này để chuẩn hóa và cài đặt tất cả các hằng số sử dụng.
- Autotuning mode(luôn tự động thực hiện với động cơ trước khi vận hành sử dụng điều khiển vector. Chế độ dò tự động sẽ không được hiển thị trong suốt quá trình điều khiển hoặc khi có lỗi xảy ra. Cài đặt mặc định của biến tần là dành cho điều khiển vector vòng hở 1(A1-02=2)): Sử dụng chế độ này khi đang chạy 1 động cơ mà không biết thông số động cơ trong phương pháp điều khiển động cơ. Hằng số động cơ có thể được tính toán hoặc đặt tự động.
- Switching modes: Hiển thị lựa chọn chế độ sẽ xuất hiện khi mà từ khóa MENU được ấn từ bộ kiểm tra hay hiện thị cài đặt.
Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển
- Các chân mạch điều khiển được sắp xếp như bên dưới.
- Dòng ra điện dung của điểm +V là 20mA
- Làm mất khả năng chống chết máy trong suốt quá trình giảm tốc(đặt thông số L3-04 về 0) khi sử dụng 1 khối điện trở hãm. Nếu như thông số sử dụng này không được thay đổi để làm mất khả năng chống chết máy, hệ thống có thể không dừng trong suốt quá trình giảm tốc.
- Các điểm mạch chính được ký hiệu với 2 vòng tròn còn các điểm mạch điều khiển được ký hiệu với 1 vòng tròn
- Hệ thống dây cho động cơ với một chiếc quạt làm mát không được yêu cầu cho động cơ tự làm mát.
- Hệ thống dây mạch PG( nối dây với bảng PG-B2) không được điều khiển không có PG.
- Dãy những tần số đầu vào (S1-S12) được gán dãy kết nối(thường 0V và chế độ ẩn) cho các công tắc không điện áp và hoặc các transitor NPN. Chúng là cài đặt mặc định. Cho dãy kết nối transitor PNP( thường +24V hoặc chế độ nguồn ) hoặc cung cấp điện áp đưa vào bên ngoài 24V.
- Chuẩn tần số tốc độ master có thể đặt cho cả đầu vào áp(điểm A1) hay dòng (điểm A2) bằng cách thay đổi cài đặt của thông số H3-13. Cài đặt mặc định dành cho đầu vào điện áp chuẩn.
- Đầu ra tương tự đa chức năng là một đầu ra bộ đo dùng cho bộ đo tần số tương tự, đo điện áp, đo ăm pe, đo oát.. không sử dụng đầu ra này cho điều khiển phản hồi hoặc bất kỳ mục đích điều khiển khác. Các cuộn kháng lọc1 chiều dùng để tăng hệ số công suất được lắp trong lớp biến tần 200V cho các loại công suất 18.5 đến 110kW và lớp biến tần 400V cho các loại công suất 18.5 đến 300kW. 1 cuộn kháng lọc 1 chiều theo chức năng như thế được dùng cho các biến tần 15kW hoặc nhỏ hơn. - Đặt thông số L8-01 lên 1 khi sử dụng 1 điện trở hãm(ERF). Khi sử dụng
một khối điện trở hãm, một dãy khóa dùng cho nguồn đưa vào được làm bằng cách sử dụng một rơ le nhiệt độ ngắt.
- Tải cho phép của đầu ra 1 điểm tiếp xúc đa chức năng hoặc đầu ra một điểm tiếp xúc sai lệch là khoảng 10mA đến 1A.
c. Cài đặt biến tần.
Những vấn đề cần chắc chắn trước khi điều khiển.
Cài đặt môi trường cho biến tần - Lựa chọn ngôn ngữ A1-00 - Cấp độ truy cập hằng số A1-01
Hằng số ban đầu
- Ban đầu A1-03 - Giá trị hằng số sử dung ban đầu o2-03 Lựa chọn phương pháp điều khiển A1-02 (Các đặc tính của card điều khiển PG:
PG-A2: Dành cho xung đơn kiểu collector hở PG PG-B2: Kiểu 2 pha,kiểu bù PG
PG-D2: Cho xung đơn, RS-422
PG-X2: Kiểu 2 pha hoặc RS-422 với các điểm thông thường(A,B,C)) Cài đặt, đặt lại mật khẩu
- Mật khẩu: A1-04 - Cài đặt mật khẩu: A1-05
Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển
Đặt điện áp đầu vào: E1-01 Đặt dòng định mức động cơ: E2-01