Đồ án Thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển hệ thống nước làm mát cho phân xưởng máy đúc nhựa bằng bộ PLC S7-300 của hãng Siemens

LỜI NÓI ĐẦU - Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật diễn ra nhanh chóng trên toàn thế giới. Những thành tựu khoa học kỹ thuật đã được vận dụng trong thực tế để tạo ra hàng loạt những sản phẩm mới. Một trong những thành tựu khoa học đang được ứng dụng rộng rãi đó là kỹ thuật điều khiển lập trình. Tuy mới phát triển trong những năm gần đây nhưng nó đã nhanh chóng thay thế được các công nghệ điều khiển cổ điển lỗi thời lạc hậu, với nhiều đặc điểm ưu việt hơn. - Trên đà hội nhập với thế giới VIỆT NAM đang nhanh chóng tiếp thu các thành tựu khoa học kỹ thuật của thế giói và áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật vào quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước. Công nghệ cũ, thiết bị cũ dần được thay thế bằng công nghệ mới, thiết bị mới. Các thiết bị công nghệ tiên tiến với hệ thống điều khiển lập trình PLC, Vi xử lý,Vi điều khiển, điện khí nén, điện tử. Đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như các dây truyền xản xuất nước ngọt, chế biến thức ăn gia xúc, máy điều khiển theo chương trình CNC, các hệ thống đèn giao thông, các hệ thống báo động,các hệ thống làm mát trong ngành công nghiệp cơ khí...Để nắm bắt được khoa học kỹ thuật tiên tiến hiện nay trong các trường ĐẠI HỌC, CAO ĐẲNG và các trường TRUNG HỌC đã và đang đưa các thiết bị hiện đại, kiến thức khoa học mới vào giảng dạy .Hệ thống điều khiển tự động PLC là một trong những loại thiết bị có ứng dụng mạnh mẽ và đảm bảo có độ tin cậy cao. Cũng chính vì lý do đó chúng em đã vân dụng PLC vào đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển hệ thống nước làm mát cho phân xưởng máy đúc nhựa bằng bộ PLC S7-300 của hãng Siemens” - Trên thực tế ý tưởng này không còn mới lạ nó được vận dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Đặc biệt trong các phân xưởng tại các nhà máy luyện kim, nhà máy đúc, nhà máy cán thép …Tuy nhiên nó còn mới mẻ đối với sinh viên. Do đó nhóm sinh viên chúng em làm đề tài này với mong muốn nghiên cứu sâu hơn kỹ thuật điều khỉên lập trình bằng PLC và tìm hiểu về công nghệ làm mát đang được ứng dụng rất rộng rãi trong các xí nghiệp, nhà máy. - Sau quá trình học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường chúng em đã tích luỹ được vốn kiến thức để thực hiện đề tài của mình. Cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Đỗ Công Thắng và thầy Nguyễn Trung Thành, cũng như các thầy cô giáo trong khoa và các bạn sinh viên cùng khoá đến nay chúng em đã hoàn thành đề tài này. - Nội dung của đề tài như sau: 1. Nghiên cứu và trình bày công nghệ làm mát nước cho máy đúc nhựa. 2. Phân tích lựa chọn thiết bị. 3. Giới thiệu phần cứng và phần mềm của PLC S7-300 do hãng Siemens sản xuất. 4. Thiết kế, chế tạo mô hình. 5. Lập trình trên phần mềm Simatic Manager S7-300 cho mô trên hình hoạt động. 6. Sản phẩm của đề tài đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật. Quyển thuyết minh và các bản vẽ, Folie mô tả đầy đủ nội dung của đề tài… Thuyết minh đồ án gồm 4 chương: Chương 1: Tìm hiểu công nghệ, lựa chọn thiết Bị: Nghiên cứu và trình bày công nghệ làm mát bằng nước cho máy đúc nhựa, phân tích lựa chọn thiết bị. Chương 2 : Giới thiệu về PLC - S7 300 Chương 3: Kỹ thuật lập trình PLC S7 - 300 Chương 4: Thiết kết và chế tạo mô hình: Trình bày quá trình thiết kết vàchế tạo mô hình điều khiển hệ thống làm mát cho phân xưởng máy đúc nhựa. - Tuy đẫ cố gắng hết sức nhưng do kinh nghiệm, kiến thức bản thân còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện đề tài. Chúng em rất mong sự chỉ bảo, góp ý của thầy, cô và các bạn đồng nghiệp để chúng em hoàn thành tốt đồ án này. Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Hưng yên, ngày….. tháng….. năm2006 SV: Trương Đức THành Vương Văn Bình Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 1 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Hưng yên, ngày….. tháng….. năm2006 Giáo viên hướng dẫn 1 Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 2 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Hưng yên, ngày….. tháng….. năm2006 Giáo viên hướng dẫn 2 MỤC LỤC Mục lục trang Nhận xét của giáo viên Lời nói đầu CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ, LỰA CHỌN THIẾT BỊ: 7 1. Công nghệ làm mát nước cho máy đúc nhựa 7 2. Lựa chọn thiết bị 7 CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ PLC - S7 300 I. Đại cương về thiết bị điều khiển logic lập trình PLC. 10 1. Khái niệm 10 2.Cấu trúc của PLC 11 3.Phân loại PLC 15 II. Hệ thống điều khiển PLC S7-300 16 1. Cấu trúc phần cứng của hệ thống PLC S7-300 16 2. Sơ đồ kết nối trạm PLC S7-300 21 III. Các hệ đếm và các kiểu dữ liệu 21 1. Các hệ đếm 21 2. Các kiểu dữ liệu 22 IV.Cấu trúc bộ nhớ của PLC S7-300 22 V. Vòng quét của chương trình 24 VI. Khối OB đặc biệt 25 VII. Thanh ghi trạng thái 27 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT LẬP TRÌNH PLC S7 – 300 31 I. Giới thiệu chung 31 1. Lập trình tuyến tính và lập trình có cấu trúc 31 2. Quy trình thiết kế hệ điều khiển PLC và các phần tử lôgic cơ bản 32 II. Ngôn ngữ lập trình cho PLC S7-300 35 III. Lập trình và chọn chế độ làm việc cho PLC S7-300 36 1.Giới thiệu chung 36 2.Chọn giao diện cho PLC 36 IV.Các khối hàm vavf chức năng của nó trong PLC 40 V. Bộ thời gian 50 1. Nguyên tắc làm việc 50 2. Khai báo sử dụng 51 VI. Bộ đếm CUONTER 56 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾT VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH 59 1. Tổng quan về mô hình hệ thống làm mát lò đúc nhựa 59 2. Cấu trúc chế độ hoạt động của hệ thống 60 3. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống làm mát 62 4. Mạch điều khiển của PLC 72 CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ, LỰA CHỌN THIẾT BỊ Công nghệ làm mát nước cho máy đúc nhựa Xưa kia nền công nghiệp chưa phát triển thì công nghệ bảo dưỡng máy móc, hạn chế tổn hao, hạn chế sự hỏng hóc không đáng có là rất thô sơ. VD khoan va cắt các vật bằng kim loại để làm mát mũi khoan và lưỡi cưa người ta phải sử dụng bàn tay để đưa nước vào những chỗ đó nên thường hay nguy hiểm, gây thiệt hại người và của, năng xuất và chất lượng kém, đáp ứng được lượng nhỏ nhu cầu. Ngày nay với công nghệ hiện đại con người đã khắc phục được những nhược điểm đó, làm cho năng xuất lao động đạt hiệu quả cao và đảm bảo an toàn lao động. Công nghệ làm mát nước bằng hệ thống điều khiển tự động cũng là một trong những công nghệ được ứng dụng rất sớm và được ứng dụng rộng rãi, nó là một yếu tố quan trọng và cần thiết trong các ngành công nghiệp nặng. Hiện nay có rất nhiều cách làm mát như: Làm mát bằng gió, làm mát bằng nước, làm mát bằng dung dịch hoá chất. Mỗi cách làm mát đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng của chúng vì vậy mà tuỳ từng yêu cầu của công nghệ mà ta có cách làm mát tương ứng. VD: Làm mát động cơ đốt trong của xe máy, động cơ bơm nước, các loai IC tạo nhiệt lớn … sử dụng gió để làm mát. Trong máy biến áp cỡ lớn sử dụng dầu cách điện để cách điện đồng thời làm mát cho dây dẫn.Trong hệ thống máy đúc nhựa để nhựa đông nhanh và tăng năng suất lao động với lượng nhiệt tải ra rất lớn yêu cầu cần tải nhiệt nhanh, tải nhiệt hiệu quả đẻ nhựa không dính vào khuôn, bảo đảm an toàn cho người và trang thiết bị . Người ta sử dụng nước đẻ làm mát vì chúng có ưu điểm rất lớn là nước truyền nhiệt nhanh vì nước tiếp xúc trực tiếp với thành ống của hệ thống bơm và khuôn đúc, làm mát nước cũng rất nhanh, nước dẻ tiền và ít gây ô nhiễm (kèm theo hệ thống xử lý nước thải tốt ). Xử dụng động cơ bơm đẻ đẩy nước đi tới hệ thống cần làm mát sẽ nhanh hơn, dễ điều khiển hơn. Làm mát khuôn đúc nhựa để các khuôn đúc không bị nóng quá mức sẽ gây hỏng khuôn, hỏng hệ thống, nhựa sẽ đông nhanh, đảm bảo kỹ thuật, không gây thiệt hại về kinh tế và gây nguy hiểm tới người lao động, làm mát khuôn đúc nhựa làm cho nhựa nhanh chóng đông cứng ,đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. Các khuôn đúc sẽ được sử dụng nhiều lần hơn làm cho năng suất cao lên mà vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và an toàn cho người lao động trong xưởng đúc. Tuỳ theo công suất hoạt động của lò là nhỏ ,trung bình hay lớn mà động cơ bơm nước đẩy nước đi làm mát cũng có công suất hoạt động tương ứng để phù hợp với yêu cầu của hệ thống khuôn đúc nhựa. Trong quá trình đẩy nước đi làm mát nước sẽ nóng dần lên do tiếp xúc trực tiếp với thành ống kim loại có nhiệt sinh ra bởi các khuôn đúc đang làm việc ,tuỳ thuộc vào công suất của lò đúc mà nước sẽ nóng với nhiệt độ cao hay thấp, nước được trả về bể kèm theo một lượng ion nhất định nhiễm vào trong nước .Do vậy ta sử dụng một dàn lọc ion với sự hỗ trợ của một cảm biến ion đặt trong bể với hai mức cao và thấp. Mức thầp thì dàn lọc không hoạt động, mức cao thì dàn lọc sẽ hoạt động nhờ một động cơ bơm do cảm biến ion đóng điện cho động cơ bơm nước vào dàn lọc và dàn lọc sẽ tự động lọc và trả nước sạch vào bể. Với sự hoạt động liên tục của lò sẽ làm cho nước trong bể nóng dần lên vì vậy ta sử dụng một dàn lạnh để làm mát nước, dàn lạnh có công suất hoạt động tương ứng lớn hay nhỏ là nhờ một cảm biến nhiệt đặt trong bể ,cảm biến này sẽ cho ra tín hiệu để PLC xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển, đóng mở các cấp điện trở. Ngoài ra ta có thể thay nước trong bể nhờ một van xả và cấp nước vào bể nhờ một hệ thống bơm tự động , mức cạn tự động bơm, mức đầy tự động ngắt. Lựa chọn thiết bị Trong giai đoạnđầu của thời kỳ công nghiệp vào khoảng những năm 1960 và 1970, yêu cầu tự động của hệ thống điều khiển được thực hiện bằng các rơle điện từ nối với nhau bằng dây dẫn điện trong bảngđiều khiển. Trong nhiều trường hợp bảng điều khiển có kích thước quá lớn đến nỗi không thể gắn toàn bộ lên trên tường và các dây nối cũng không hoàn toàn tốt vì thế rất hay xảy ra trục trặc trong hệ thống. Một điểm rất quan trọng nữa là do thời gian làm việc của các rơle có giới hạn nên khi cần thay thế cần phải ngừng hệ thống và dây nối cũng phẩi thay mới cho phù hợp, bảng điều khiển chỉ dùng cho một yêu cầu riêng biệt không thể thay đổi tức thời chức năng khác mà phải lắp ráp lại toàn bộ, và trong trường hợp bảo trì cũng như sửa chữa cần đòi hỏi thợ chuyên môn có tay nghề cao. Tóm lại hệ điều khiển rơle hoàn toàn không linh động Nhược điểm của hệ thống điều khiển dùng rơle - Tốn kém rất nhiều dây dẫn - Thay thế rất phức tạp - Cần công nhân sửa chữa tay nghề cao - Công suất tiêu thụ lớn - Thời gian sửa chữa lâu - Khó cập nhật sơ đồ nên gây khó khăn cho công tác bảo trì cũng như thay thế Ưu điểm của hệ điều khiển PLC Sự ra đời của hệ thống điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng như các quan niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có ưu điểm như sau: - Giảm 80% số lượng dây nối - Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp Kết cấu mạch điện sử dụng PLC nhỏ gọn, đơn giản được kích thước định hình - Dễ dàng thay đổi thiết kế nhờ phần mềm - Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng - Chức năng điều khiển dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, màn hình ) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bị xuất nhập - Số lượng rơle trung gian và rơle thời gian ít hơn nhiều so với hệ điều khiển cổ điển - Số lượng tiếp điểm trong chương trình sử dụng không hạn chế - Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms) dẫn đến tăng năng xuất, giảm bớt sức lao động sản xuất - Chi phí lắp đặt thấp - Độ tin cậy cao - ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng - Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vài phút giúp thuận tiện cho việc bảo trì bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống chính vì thấy được những nhược điểm của hệ thống điều khiển sử dụng Rơle Công tắc tơ và nhận thấy những ưu điểm của hệ thống điều khiển PLC mà chúng em lựa chọn PLC để hoàn thành đồ án tốt nghiệp Thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển hệ thống nước làm mát cho phân xưởng máy đúc nhựa CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ PLC - S7 300 Đại cương về thiết bị điều khiển logic lập trình PLC. Khái niệm. Thiết bị điều khiển logic lập trình (Programmable Logic Control , viết tắt là PLC ) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình. Thay cho việc thực hiện thuật toán đó bằng mạch số như vậy với chương trình điều khiển PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn dễ dàng thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hay máy tính). Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình như khối OB, FC hoặc FB, và được thiết lập theo chu kỳ vòng quét. Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC có tính năng như một máy tính. Nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (PLC), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên phải có cổng đầu vào/ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó PLC còn có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer)… và các khối chuyên dụng khác. Cấu trúc của PLC. Thiết bị điều khiển logic lập trình PLC là thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng: phép logic, lập chuỗi, định giờ, đếm, thuật toán để điều khiển máy và các quá trình.
- PLC gồm ba khối chức năng cơ bản: - Bộ sử lý trung tâm - Bộ nhớ - Khối vào ra Trạng thái gõ vào của PLC được phát hiện và lưu vào bộ nhớ đệm. PLC thực hiện các lệnh lôgic trên các trạng thái của chúng và thông qua trạng thái gõ ra và cập nhật và lưu vào bộ nhớ đệm ; Sau đó trạng thái gõ ra trong bộ nhớ đệm được dùng để đóng mở các tiếp điểm kích hoạt các thiết bị công tác. Như vậy , sự hoạt động các thiết bị được điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình trong bộ nhớ. Chương trình được nạp vào PLC qua thiết bị lập trình chuyên dùng. / Sơ đồ cấu trúc của PLC Bộ sử lý trung tâm Bộ sử lý trung tâm điều khiển và quản lý tất cảc hoạt động bên trong PLC. Việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và khối vào, ra được thực hiện thông qua hệ thống BUS dưới sự điều khiển của CPU. Một mạch dao động thạch anh cung cấp xung clock tần số chuẩn cho CPU, thường là 1 hay 8 MKz, tuỳ thuộc vào bộ xử lý sử dụng. Tần số xung clock xác định tốc độ hoạt động của PLC và thực sự đồng bộ cho tất cả các phần tử trong hệ thống. Bộ nhớ Bộ nhớ cớ nhiệm vụ lưu chương trình điều khiển được lập bởi ngươì dùng và các dữ liệu khác như Cờ, thanh ghi tạm , trạng tháI đầu vào, lệnh điều khiển đầu ra,…Nội dung của bộ nhớ được mã hoá dưới dạng mã nhị phân. Tất cả PLC đều thường dùng các loại bộ nhớ sau: + ROM(read only memory): là loại bộ nhớ không thể thay đổi được, bộ nhớ này chỉ nạp được một lần nên ít được sử dụng phổ biến như các loại bộ nhớ khác. + Bộ nhớ RAM (random access memory): là loại bộ nhớ có thể thay đổi được và dùng để chứa các chương trình ứng dụng cũng như dữ liệu, dữ liệu chứa trong RAM sẽ bị mất khí mất điện. Tuy nhiên, điều này có thể khắc phục bằng cách dung Pin. + Bộ nhớ EPROM(electronic progam mable read only memory): giống như RAM, nhuồn nuôi cho EPROM không cần dung Pin, tuy nhiên nội dung chứa trong nó có thể xóa bằng cách chiếu tia cực tím vào một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó nạp lại nội dung bằng máy nạp. + Bộ nhớ EEPROM: kết hợp hai ưu điểm của RAM và EPROM, loại này có thể xoá và nạp bằng tín hiệu điện. Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn. Khối vào ra: Mọi hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC có mức điện áp 5 VDC và 15V DC(điện áp cho TTL và CMOS) trong khi tín hiệu bên ngoài có thể lớn hơn nhiều thường là 24v DC đến 240v DC với dòng lớn. Khối vào, ra có vai trò mạch dao tiếp giữa vi mạch điện tử của PLC với các mạch công suất bên ngoài kích hoạt các cơ cấu tác động. Nó thực hiện sự chuyển đổi các mức điện áp tín hiệu và cách ly, tuy nhiên khối vào ra cho phép PLC kết nối trực tiếp với các cơ cấu tác động có công suất cỡ nhỏ cỡ 2A trở xuống, không cần các mạch công suất trung gian hay rơle trung gian.
Sơ đồ cấu trúc tổng quan của PLC Phân loại PLC. Hiện nay trong lĩnh vực điều khiển nói chung và ngành tự động hóa nói riêng, các PLC mới được đưa vào sử dụng ngày càng nhiều với tính năng rất lớn như: + PLC S5 + PLC S7 - 200 + PLC S7 - 300 + PLC S7 - 400 + PLC LOGO Hệ thống điều khiển PLC S7 - 300. Cấu trúc phần cứng của hệ thống PLC S7 - 300. Thông thường, 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, ra cũng như chủng loại tín hiệu vào , ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hóa về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành các modul. Số các modul được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo yêu cầu công nghệ, song tối thiểu bao giờ cũng phải có một modul chính là modul CPU, các modul chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ. Chúng được gọi chung là modul mở rộng. Tất cả các modul được gá trên những thanh ray ( RACK).