Sử dụng cảm biến khối lượng đưa tín hiệu analog về PLC S7 - 1200 giám sát và điều khiển quá trình phân loại

TRANG BÌA 1 TRANG BÌA 2 MỤC LỤC Contents TRANG BÌA 1 ..................................................................................................................... 1 TRANG BÌA 2 ..................................................................................................................... 2 MỤC LỤC ........................................................................................................................... 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 5 PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 6 ĐẶT VẤN ĐỀ ..................................................................................................................... 6 A. Đặt vấn đề .............................................................................................................. 6 B. Mục tiêu đề tài........................................................................................................ 6 C. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.......................................................................... 6 PHẦN NỘI DUNG .............................................................................................................. 7 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN. .............................................................................................. 7 1.1. Tổng quan về đề tài ................................................................................................ 7 1.2. Phƣơng pháp thực hiện .......................................................................................... 7 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................... 8 2.1. Quy trình hoạt động của hệ thống ............................................................................ 8 2.2. Lý thuyết PLC .......................................................................................................... 8 A. PLC S7-200 ...................................................................................................... 10 B. PLC S7-1200. ........................................................................................................ 15 2.3. WinCC .................................................................................................................... 17 2.4. TIA – Phần mềm lập trình PLC .............................................................................. 19 2.5. Giao thức truyền thông TCP/IP. ............................................................................. 28 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG .............................................................................. 32 3.1. Thiết kế cơ khí hệ thống ......................................................................................... 32 3.1.1. Yêu cầu cơ khí hệ thống .................................................................................. 32 3.1.2. Thiết kế cơ khí ................................................................................................. 32 3.2. Thiết kế điện cho hệ thống ..................................................................................... 32 3.2.1. Yêu cầu hệ thống điện ..................................................................................... 32 3.2.2. Sơ đồ khối hệ thống ......................................................................................... 32 3.2.3. Phân tích các khối điện hệ thống ..................................................................... 33 3.2.4. Thiết bị điện từng khối .................................................................................... 33 3.2.5. Sơ đồ đấu nối ................................................................................................... 34 3.3. Lƣu đồ giải thuật ..................................................................................................... 34 3.4. Sơ đồ đấu dây ......................................................................................................... 35 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT ....................................................................... 37 4.1. Chƣơng trình chính ................................................................................................. 37 4.2. Thiết kế WinCC ...................................................................................................... 45 4.3. Nhận xét .................................................................................................................. 45 PHẦN KẾT LUẬN ........................................................................................................... 46 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 46 ĐỀ XUẤT ...................................................................................................................... 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHẦN MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ A. Đặt vấn đề Hiện nay vai trò của công nghệ Tự Động Hóa trong nền kinh tế quốc dân và sự nghiệp phát triển của xã hội là cực kỳ to lớn. Tự động hóa mang lại nhiều tiện ích trong muôn màu muôn vẻ của cuộc sống văn minh hiện đại. Chính vì thế Đảng và Nhà nƣớc ta đã xác định tự động hóa là một trong bốn hƣớng công nghệ cao cần ƣu tiên phát triển. [1] Góp phần vào công cuộc phát triển đó là các dòng, các bộ điều khiển trở nên nhỏ gọn và tiện ích. Trong đó không thể không thể không kể đến các dòng PLC của tập đoàn Siemens đặt biệt là PLC S7-1200 với khả năng giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hệ thống( SCADA ) mạnh mẽ. Ứng dụng của PLC S7-1200 vào phân loại sản phẩm theo độ cao là một ứng dụng nhỏ nhƣng rất quan trọng trong quy trình công nghệ việc giám sát điều khiển hệ thống phân loại này cho ta thấy và làm đƣợc các vấn đề khác của hệ thống B. Mục tiêu đề tài + Nắm đƣợc khả năng lập trình PLC. + Lập trình đọc đƣợc giá trị loadcell từ đó thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lƣợng + Thiết kế đƣợc hệ SCADA giám sát trên PLC S7-1200 C. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung vào việc tìm hiểu PLC S7-1200 thông qua việc đọc các tài liệu manual và lập trình mô phỏng PLC trên TIA cho các vấn đề xữ lý số liệu analog song song thiết kế một hệ SCADA giám sát bằng phần mềm WinCC TIA. PHẦN NỘI DUNG CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN. 1.1. Tổng quan về đề tài Đề tài là quá trình khảo sát nghiên cứu và thiết kế SCADA cho hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lƣợng à một bộ phận quan trọng trong các quy trình sản xuất, phân loại ra các sản phẩm hợp quy ra thị trƣờng. Trong công ty sản xuất mì acecook để đảm bảo về khối lƣợng cũng nhƣ chất lƣợng gói mì ra thì trƣờng thì các thành phần mì thƣờng không thể thiếu cũng nhƣ khối lƣợng giá trị dinh dƣỡng đến ngƣời tiêu dùng. Để đáp ứng các yêu cầu đó đề tài sử dụng cảm biến khối lƣợng đƣa tín hiệu analog về PLC S7-1200 giám sát và điều khiển quá trình phân loại 1.2. Phƣơng pháp thực hiện Sử dụng sensor quang để nhận biết vật đến vì vậy cần tìm hiểu về sensor quang Tìm hiểu PLC S7-1200 Siemens về lập trình cũng nhƣ phần cứng PLC S7-1200 Tìm hiểu về loadcell cũng nhƣ phần cứng mô hình Ứng dụng phần mềm TIA vào lập trình cho mô hình phân loại sản phẩm. Sản phẩm đi qua dựa trên độ cao phân loại ra sản phẩm khi đến vị trí phân loại sensor cảm biến nhận đƣợc sẽ lấy giá trị loadcell nhận vào và phân loại sản phẩm CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Quy trình hoạt động của hệ thống 2.2. Lý thuyết PLC - Năm 1642, Pascal đã phát minh ra máy tính cơ khí dùng bánh răng.Đến năm 1834 Babbage đã hoàn thiện máy tính cơ khí "vi sai" có khả năng tính toán với độ chính xác tới 6 con số thập phân. - Năm 1808, Joseph M.Jaquard đã dùng các lỗ trên tấm bìa thẻ kim loại mỏng, sắp xếp chúng trên máy dệt theo nhiều chiều khác nhau để điều khiển máy dệt tự động thực hiệncác mẫu hàng phức tap. - Trước năm 1904, Hoa Kỳ và Đức đã sử dụng mạch rơle để triển khai chiếc máy tính điện tử đầu tiên trên thế giới. - Năm 1943, Mauhly và Ackert chế tạo "cái máy tính" đầu tiên gọi là "máy tính và tích phân số điện tử" viết tắt là ENIAC. Máy có: 18.000 đèn điện tử chân không, 500.000 mối hàn thủ công, chiếm diện tích 1613 ft2, công suất tiêu thụ điện 174 kW, 6000 nút bấm, khoảng vài trăm phích cắm. Chiếc máy tính này phức tạp đến nỗi chỉ mới thao tác được vài phút lỗi và hư hỏng đã xuất hiện. Việc sữa chữa lắp đặt lại đèn điện tử để chạy lại phải mất đến cả tuần. Chỉ tới khi áp dụng kỹ thuật bán dẫn vào năm 1948, đưa vào sản xuất công nghiệp một thời gian sau thì những máy tính điện tử lập trình lại mới được sản xuất và thương mại hoá. Băng tải hoạt động Cảm biến vật tới Loadcell thu thập dữ liệu trả về PLC PLC xữ lý phân loại Góc Quay Servo 1,2 Sự phát triển của máy tính cũng kèm theo kỹ thuật điều khiển tự động. - Mạch tích hợp điện tử - IC - năm 1959. - Mạch tích hợp gam rộng - LSI - năm 1965. - Bộ vi xử lý - năm 1974. - Dữ liệu chương trình - điều khiển. - Kỹ thuật lưu giữ... Những phát minh này đã đánh dấu một bước rất quan trọng và quyết định trong việc phát triển ồ ạt kỹ thuật máy tính và các ứng dụng của nó như PLC, CNC,... lúc này khái niệm điều khiển bằng cơ khí và bằng điện tử mới được phân biệt. Đến cuối thập kỷ 20, người ta dùng nhiều chỉ tiêu để phân biệt các loại kỹ thuật điều khiển, bởi vì trong thực tế sản xuất đòi hỏi điều khiển tổng thể những hệ thống máy tính chứ không điều khiển đơn lẻ từng máy PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình đƣợc (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Ngƣời sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này đƣợc kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ nhƣ thời gian định thì hay các sự kiện đƣợc đếm. PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế. PLC hoạt động theo phƣơng thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo. Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic. Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng nhƣ các quan niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có nhiều ƣu điểm nhƣ sau: - Giảm 80% số lƣợng dây nối. - Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp. - Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác sửa chữa đƣợc nhanh chóng và dễ dàng. - Chức năng điều khiển thay đổi 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 vào, ra. - Số lƣợng rơle và timer ít hơn nhiều so với hệ điều khiển cổ điển.Số lƣợng tiếp điểm trong chƣơng trình sử dụng không hạn chế. - Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms) dẫn đến tăng cao tốc độ sản xuất . - Chƣơng trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vài phút giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống. - Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa. - Dung lƣợng bộ nhớ lớn để có thể chứa đƣợc những chƣơng trình phức tạp. - Hoàn toàn tin cậy trong môi trƣờng công nghiệp. - Giao tiếp đƣợc với các thiết bị thông minh khác nhƣ: máy tính, nối mạng, các Modul mở rộng. Độ tin cậy cao, kích thƣớc nhỏ. Giá cả có thể cạnh tranh đƣợc. Đặc trƣng của PLC là khả năng có thể lập trình đƣợc, chỉ số IP ở dãy quy định cho phép PLC hoạt động trong môi trƣờng khắc nghiệt công nghiệp, yếu tố bền vững thích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hƣ hỏng rất thấp, thay thế và hiệu chỉnh chƣơng trình dễ dàng, khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mở rộng số lƣợng đầu vào nhập và đầu ra xuất đƣợc đáp ứng tuỳ nghi trong khả năng trên có thể xem là các tiêu chí đầu tiên cho chúng ta khi nghĩ đến thiết kế phần điều khiển trung tâm cho một hệ thống hoạt động tự động. Từ các ƣu điểm nêu trên, hiện nay PLC đã đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp nhƣ: Hệ thống nâng vận chuyển, dây chuyền đóng gói, các robot lắp giáp sản phẩm, điều khiển bơm, chuyền xử lý hoá học, công nghệ sản xuất giấy v.v. Khi tính đến giá cả của PLC thì không thể không kể đến giá của các bộ phận phụ không thể thiếu nhƣ thiết bị lập trình, máy in, băng ghi... cả việc đào tạo nhân viên kỹ thuật. Nói chung những phần mềm để thiết kế lập trình cho các mục đích đặc biệt là khá đắt. Ngày nay nhiều hãng chế tạo PLC đã cung cấp trọn bộ đóng gói phần mềm đã đƣợc thử nghiệm, nhƣng việc thay thế, sửa đổi các phần mềm là nhu cầu không thể tránh khỏi, do đó, vẫn cần thiết phải có kỹ năng phần mềm. Phân bố giá cả cho việc lắp đặt một PLC thƣờng nhƣ sau: - 50% cho phần cứng của PLC. - 10% cho thiết kế khuôn khổ chƣơng trình. - 20% cho soạn thảo và lập trình. - 15% cho chạy thử nghiệm. - 5% cho tài liệu. Việc lắp đặt một PLC tiếp theo chỉ bằng khoảng 1/2 giá thành của bộ đầu tiên, nghĩa là hầu nhƣ chỉ còn chi phí phần cứng A. PLC S7-200 PLC S7-200 hiện đang là sản phẩm phổ biến và đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. PLC là từ viết tắt của Programable Logic Controller, đây là thiết bị điều khiển logic - lập trình đƣợc, nó cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua, một ngôn ngữ lập trình., PLC S7-200 là thiết bị của hãng Siemens, cấu trúc theo kiểu modul có các modul mở, rộng.Thành phấn cơ bản của PLC S7-200 là khối CPU222, CPU224, CPU 224XP, CPU226 Thông thƣờng PLC S7-200 đƣợc chia ra làm 2 loại chính: Loại PLC S7-200 cấp điện áp 220VAC : Ngõ vào: tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC ( 15VDC – 30VDC) Ngõ ra rơ le Ƣu điểm của loại này là ngõ ra rơ le, do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp (có thể sử dụng ngõ ra 0V,24V,220V. ) Tuy nhiên, nhƣợc điểm của nó : do ngõ ra rơ le nên thời gian đáp ứng của rơ le không đƣợc nhanh cho ứng dụng điều rộng xung , hoặc output tốc độ cao Loại PLC S7-200 dùng nguồn 24VDC : Ngõ vào: tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC ( 15VDC – 30VDC) Ngõ ra : Ngõ ra transistor Ƣu điểm của loại này là ngõ ra Transistor, do đó có thể sử dụng ngõ ra này để điều rộng xung, hoặc output0V,24V,220V. ) Tuy nhiên, nhƣợc điểm của nó : do ngõ ra transistor nên ngõ ra chỉ có một cấp điện duy nhất là +24VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng có cấp điện áp ra la 0VDC, Trong trƣờng hợp này buộc ta phải thông qua 1 rơ le 24Vdc đệm. Để tiếp cận với các nhà máy công nghệ cao chúng em sử dụng loại PLC hoạt động ở điện áp cấp vào là 220VAC + Thông số kỹ thuật PLC S7-200 CPU 224 AC/DC/RELAY – Điện áp nguồn vào : 220VAC – Số ngõ Input : 14DI DC – Số ngõ Output : 10 DO RELAY  Khối đầu vào: PLC S7-200 CPU 224 có 16 đầu vào, trong đó có:  14 đầu vào số.  2 đầu vào tương tự. Tất cả các đầu vào của PLC của hang Simens đều được ký hiệu là Ii.j. 14 đầu vào số của PLC S7-200 CPU 224 là: I0.0, I0.1, I0.2, I0.3, I0.4, I0.5, I0.6, I0.7, I1.0, I1.1, I1.2, I1.3, I1.4, I1.5. Mỗi tín hiệu đầu vào số chỉ có 2 mức logic là mức 0 và 1.  Mức logic 0 được đặc trưng bằng tiếp điểm thường mở. Ký hiệu: “ ”  Mức logic 1 được đặc trưng bằng tiếp điểm thường đóng. Ký hiệu: “ ” Tất cả các tín hiệu từ nút ấn, công tắc, cảm biến,. . . được lấy làm tín hiệu vào của PLC S7-200 CPU 224. Hai đầu vào tương tự PLC S7-200 CPU 224 được ký hiệu là: AI1.1,AI1.2.  Khối đầu ra: Tất cả các đầu ra của PLC S7-200 CPU 224 nói riêng và của PLC hãng Simens nói chung đều được ký hiệu là Qi.j. PLC S7-200 CPU 224 có 10 đầu ra: Q0.0, Q0.1, Q0.2, Q0.3, Q0.4, Q0.5, Q0.6, Q0.7, Q1.0, Q1.1. Các đầu ra của PLC thường được ký hiệu dưới dạng cuộn dây. Ký hiệu “ ( ) ” Đầu ra PLC là trạng thái của các đối tượng điều khiển: động cơ, van, bóng đèn, còi, đèn báo, . . . Khi sử dụng modun PLC S7-200 CPU 224 phải chú ý đối tượng được điều khiển để thiết lập đầu ra tương ứng vì trên modun có 3 chân 1L,2L,3L để cấp nguồn cho các đầu ra.  Chân 1L : cấp nguồn cho Q0.0, Q0.1, Q0.2, Q0.3.  Chân 2L : cấp nguồn cho Q0.4, Q0.5, Q0.6.  Chân 3L : cấp nguồn cho Q0.7, Q1.0, Q1.1.  Khối mở rộng: Để mở rộng phạm vi điều khiển của PLC người ta thường lắp them các modun mở rộng để tăng số lượng đầu vào và tăng số lượng đầu ra. Mô tả đèn báo trên bộ điều khiển PLC S7-200 CPU 224 của hãng Simens PLC S7-200 CPU 224 bao gồm hệ thống đèn báo như sau: - SF : đèn báo trạng thái PLC bị hỏng. - RUN : đèn báo trạng thái có thể chạy PLC. - STOP : đèn báo trạng thái PLC dừng hoạt động phục vụ cho quá trình dừng khẩn cấp, đảm bảo an toàn và phục vụ cho quá trình download từ máy tính > PLC hoặc upload từ PLC > máy tính. => để chọn chế độ RUN hoặc STOP thì sử dụng công tắc gạt (dưới). - Đèn báo cho 14 đầu vào số tương ứng đều có đèn để chỉ trạng thái trên PLC, khi đèn báo ở đầu nào sáng thì đầu đó ở mức 1. - Trên PLC có 14 công tắc gạt tương ứng để điều khiển cho 14 đầu vào số. - Đèn báo cho 10 đầu ra số tương ứng đều có đèn chỉ trạng thái trên PLC khi đèn của đầu ra nào sang thì đầu ra đó ở trạng thái đang hoạt động. Công tắc chọn chế độ làm việc: PLC S7-200 CPU 224 có 3 chế độ làm việc RUN, STOP, TERM Nhiệm vụ của PLC trong hệ thống: Modul PLC S7-200 CPU 224 được dùng để điều khiển các thiết bị điện- điện tử trong mô hình, để mô hình đóng mở cửa được bình thường. B. PLC S7-1200. Hình . Bộ điều khiển S7-1200 Bộ điều khiển S7-1200 đƣợc ra đời để thay thế cho dòng S7-200 trƣớc đây của Siemens trên xu hƣớng tích hợp bộ điều khiển, hệ thống mạng, hệ thống điều khiển giám sát trong cùng một hệ thống với nền tảng TIA Portal. Hình. Hệ thống tích hợp toàn diện của Siemens TIA Portal Hệ thống SIMATIC S7-1200 đƣợc thiết kết tích hợp với PROFINET với các cổng Ethernet tích hợp để dễ dàng thiết lập mạng điều khiển. Cấu trúc S7-1200 dạng modular giống nhƣ dòng S7-300 nhằm dễ dàng thay đổi kích cỡ theo ứng dụng, dễ dàng thêm các cổng I/O. Với dòng CPU 1212C có thể thêm 2 module I/O, còn với dòng CPU 1214C. 1215C, 1217C có thể thêm 8 module I/O. Ngoài ra dòng S7-1200 có thể dễ dàng tích hợp thêm các module giao tiếp loại PROFIBUS, GPRS làm tăng độ linh hoạt của hệ thống lên rất cao. Để lập trình cho S7-1200 Siemens cung cấp gói phần mềm TIA Portal với các ƣu điểm:  Dễ dàng trao đổi các chức năng  Các dự án có thể dùng lại đƣợc với thƣ viện sẵn có hoặc tạo thêm  Tích hợp hệ thống chẩn đoán  Có chức năng theo dõi  Tích hợp điều khiển chuyển động  Tích hợp bộ điều khiển PID  Dễ dàng mô phỏng với PLC và HMI  Hệ thống trao đổi dữ liệu liên kết giữa PLC và WINCC thực hiện dễ dàng  Quản lý nhiều trạm trên cùng một Project Tích hợp bảo vệ kiểu password, know-how, chống copy, truy nhập 2.3. WinCC WinCC Scada không còn là khái niệm mới mẽ nhƣng việc vận dụng thành thạo các công cụ của WinCC thì còn rất nhiều ứng dụng mà vẫn chƣa sử dụng hết. Phần mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng nhƣ phục vụ việc xử lý và lƣu trữ dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa Cấu trúc của một hệ scada tự động Hình x. Cấu trúc SCADA Một số chức năng cơ bản của hệ thống SCADA _ Điều khiển _ Hiển thị _ Cảnh Báo _ Lƣu Trữ _ In ấn Phần mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng nhƣ phục vụ việc xử lý và lƣu trữ dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa. WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center (Trung tâm điều khiển chạy trên nền Windows), nói cách khác, nó cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy t