Đồ án Điều khiển hệ thống trộn liệu qua giao diện Win CC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

-------------------------------

ISO 9001:2015

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Sinh viên

:Vũ Duy Trung

Giảng viên hướng dẫn: THS.NGÔ QUANG VĨ

HẢI PHÒNG - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

-----------------------------------

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRỘN LIỆU

QUA GIAO DIỆN WINCC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

NGÀNH: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Sinh viên

:VŨ DUY TRUNG

Giảng viên hướng dẫn: THS.NGÔ QUANG VĨ

HẢI PHÒNG - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

--------------------------------------

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRỘN

LIỆU QUA GIAO DIỆN WINCC

Sinh viên: VŨ DUY TRUNG

Mã SV:1412102042

Lớp: DC1801

Ngành: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Tên đề tài: Điều khiển hệ thống trộn liệu qua giao diện Win CC

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp

( về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ).

……………………………………………………………………………..

2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán.

……………………………………………………………………………..

3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp.

……………………………………………………………………………..

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Người hướng dẫn thứ nhất:

Họ và tên:Ngô Quang Vĩ............................................

Học hàm, học vị:Thạc Sĩ...........................................................................

Cơ quan công tác:Khoa Điện Điện Tử..................................................................

Nội dung hướng dẫn:............................................................................

Người hướng dẫn thứ hai:

Họ và tên:.............................................................................................

Học hàm, học vị:...................................................................................

Cơ quan công tác:.................................................................................

Nội dung hướng dẫn:............................................................................

Đề tài tốt nghiệp được giao ngày 01 tháng 07 năm 2019

Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày 23 tháng 09 năm 2019

Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN

Đã giao nhiệm vụ ĐTTN

Sinh viên

Người hướng dẫn

Hải Phòng, ngày ...... tháng........năm 2019

Hiệu trưởng

GS.TS.NGƯT Trần Hữu Nghị

PHẦN NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1. Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp:

……………………………………………………………………………..

2. Đánh giá chất lượng của khóa luận (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong

nhiệm vụ Đ.T. T.N trên các mặt lý luận, thực tiễn, tính toán số liệu…):

……………………………………………………………………………..

3. Cho điểm của cán bộ hướng dẫn (ghi bằng cả số và chữ):

……………………………………………………………………………..

Hải Phòng, ngày … tháng … năm 2019

Cán bộ hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU.............................................................................................. 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ CẤU TRÚC HỌ PHẦN CỨNG PLC

S7-300 CỦA HÃNG SIEMENS ......................................................... 2

1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC.......................................................... 2

1.1.1. Mở đầu ......................................................................................... 2

1.1.2. Các thành phần cơ bản của một bộ PLC....................................... 4

1.1.3. Đánh giá ưu nhược điểm của PLC................................................ 8

1.1.4. Ứng dụng của hệ thống sử dụng PLC........................................... 11

1.2. GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN S7-300 ...................................... 11

1.2.1. Giới thiệu chung........................................................................... 11

1.2.2. Các module của PLC S7-300 ....................................................... 14

1.2.2.1. Module CPU .................................................................... 15

1.2.2.2. Module nguồn.................................................................. 16

1.2.2.3. Module mở rộng .............................................................. 17

1.2.2.4. Module ghép nối.............................................................. 18

1.2.3. Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ................................................. 19

1.2.3.1. Kiểu dữ liệu ..................................................................... 19

1.2.3.2. Phân chia bộ nhớ ............................................................. 20

1.2.4. Vòng quét chương trình PLC S7-300........................................... 22

1.2.5. Cấu trúc chương trình của PLC S7-300........................................ 23

1.2.5.1. Lập trình tuyến tính ......................................................... 24

1.2.5.2. Lập trình có cấu trúc ........................................................ 24

1.2.6. Các khối OB đặc biệt ................................................................... 27

1.2.7. Ngôn ngữ lập trình của PLC S7-300 ............................................ 28

1.2.8. Bộ thời gian (Timer)..................................................................... 31

1.2.8.1. Nguyên tắc làm việc của bộ thời gian .............................. 31

1.2.8.2. Khai báo sử dụng............................................................. 32

1.2.9. Bộ đếm (Counter)......................................................................... 33

1.2.9.1. Nguyên tắc làm việc của bộ đếm ..................................... 33

1.2.9.2. Khai báo sử dụng............................................................. 34

1.3. PHẦN MỀM LẬP TRÌNH................................................................... 35

1.3.1. Khai báo phần cứng...................................................................... 35

1.3.2. Cấu trúc cửa sổ lập trình............................................................... 35

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG PHA TRỘN VÀ THIẾT BỊ

TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM TRỘN NHIÊN LIỆU....... 39

2.1. GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG PHA TRỘN ................................... 39

2.1.1. Mở đầu ......................................................................................... 39

2.1.2. Một số hệ thống pha trộn.............................................................. 40

2.1.2.1. Hệ thống pha trộn dầu DO và dầu thực vật...................... 40

2.1.2.2. Hệ thống pha màu............................................................ 41

2.1.2.3. Hệ thống pha trộn hóa chất .............................................. 42

2.1.2.4. Máy phối trộn nước ngọt có gas ...................................... 43

2.1.2.5. Trạm trộn bê tông ............................................................ 44

2.2. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM TRỘN

........................................................................................................... 45

2.2.1. Giới thiệu về Simatic S7-300 ....................................................... 45

2.2.2. Giới thiệu về cảm biến mức ......................................................... 48

2.2.2.1. Giới thiệu chung .............................................................. 48

2.2.2.2. Các cảm biến mức thường dùng trong công nghiệp......... 49

2.2.3. Van điện từ................................................................................... 57

2.2.3.1. Các van khí nén ............................................................... 57

2.2.3.2. Loại van dùng thủy lực .................................................... 59

2.2.4. Công tắc hành trình ...................................................................... 59

2.2.5. Động cơ điện ................................................................................ 60

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM TRỘN NHIÊN

LIỆU............................................................................................... 62

3.1. YÊU CẦU CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG .................................... 62

3.2. THIẾT KẾ KHỐI NGUỒN MỘT CHIỀU......................................... 63

3.3. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG........................................................ 65

3.4. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN..................................................................... 66

3.5. THỐNG KÊ CÁC BIẾN ĐẦU VÀO/RA............................................ 67

3.5.1. Các biến đầu vào .......................................................................... 67

3.5.2. Các biến đầu ra............................................................................. 67

3.6. MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐẦU VÀO/RA ................................................ 67

3.7. MẠCH ĐỘNG LỰC CỦA HỆ THỐNG............................................. 68

3.8. SƠ ĐỒ ĐIỆN CỦA HỆ THỐNG......................................................... 69

3.9. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM TRỘN NHIÊN LIỆU

....................................................................................................................... 71

KẾT LUẬN .................................................................................................. 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................... 76

LỜI MỞ ĐẦU

Đất nước ta trong quá trình phát triển với nền kinh tế thế giới. Điều này đòi hỏi các

xí nghiệp không ngừng nâng cao sản xuất lao động, hạ giá thành sản phẩm để có

thể cạnh tranh và có chỗ đứng trên thị trường. Để làm được điều này các nhà máy

xí nghiệp ngoài việc cải cách lại cơ cấu thì việc đổi mới dây chuyền là hết sức cần

thiết. Vì thế tự động hóa đã áp dụng hầu hết trong các dây chuyền sản xuất của các

nhà máy xí nghiệp. Trong đó, kỹ thuật điều khiển logic lập trình hay gọi tắt là PLC

chiếm một vai trò rất quan trọng trong ngành tự động hóa. PLC không những thay

thế được cho kỹ thuật điều khiển cơ cấu bằng cam và kỹ thuật rơ le trước kia mà

còn chiếm lĩnh nhiều chức năng phụ khác. Với kiến thức sau thời gian học tập tại

trường Đại học quản lý và công nghệ hải phòng, cùng sự chỉ bảo và hướng dẫn tận

tình của các thầy cô trong khoa Điện Tự động Công nghiệp, đặc biệt là thầy giáo,

Th.S Ngô Quang Vĩ, em đã được nhận đồ án tốt nghiệp với đề tài: ‘’Điều khiển hệ

thống trộn liệu qua giao diện Win CC”. Đây là một đề tài sát với thực tế và rất bổ

ích cho những sinh viên sắp ra trường như chúng em. Đề tài được thực hiện gồm

những nội dung sau:

Chương 1: Tổng quan về Win CC và PLC của hãng Siemens.

Chương 2: Các hệ thống pha trộn và thiết bị trong hệ thống điều khiển trạm trộn

nhiên liệu.

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển trạm trộn nhiên liệu giám sát qua giao diện

Win CC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ WINCC VÀ PLC CỦA HÃNG SIEMENS

1.1. Giới thiệu chung về PLC

1.1.1. Mở Đầu

Sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại và công nghệ điều khiển logic

khả trình dựa trên cơ sở phát triển của tin học mà cụ thể là sự phát của kỹ thuật

máy tính. Kỹ thuật điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Control)

được phát triển từ những năm 1968 - 1970. Trong giai đoạn đầu các thiết bị khả

trình yêu cầu người sử dụng phải có kỹ thuật điện tử, phải có trình độ cao. Ngày

này các thiết bị PLC đã phát triển mạnh mẽ và có mức độ phổ cập cao. PLC

(Programmable Logic Control):Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC. Là loại

thiết bị cho phép điều khiển linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một

ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện mạch toán đó trên mạch số. Như

vậy với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn,

dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh

(với các PLC khác hay với máy tính). Để có thể thực hiện một chương trình điều

khiên, PLC phải có tính năng như một máy tính. Nghĩa là phải có một bộ vi xử lý

trung tâm (CPU), một hệ điều hành, một bộ nhớ chương trình để lưu chương trình

cũng như dữ liệu và tất nhiên phải có các cổng vào ra để giao tiếp với các thiết bị

bên ngoài. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ các bài toán điều khiển số, PLC phải có các

khối hàm chức năng như Timer, Counter, và các hàm chức năng đặc biệt khác

hình1.1 Sơ đồ khối của PLC

.Các PLC tương tự máy tính, nhưng máy tính được tối ưu hóa cho các nhiệm vụ

tính toán và hiển thị còn PLC được chuyên biệt cho các nhiệm vụ điều khiển và

môi trường công nghiệp. Vì vậy các PLC được thiết kế:

- Để chịu được các rung động, nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn và tiếng ồn.

- Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào ra.

- Được lập trình dễ dàng với ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, chủ yếu giải quyết các

phép toán logic và chuyển mạch. Về cơ bản chức năng của bộ điều khiển logic

PLC cũng giống chức năng của bộ điều khiển thiết kế trên cơ sở rơle công tắc tơ

hay trên cơ sở các khối điện tử đó là: 4

- Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ cảm biến. - Liên kết, ghép

nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiện đóng mở các mạch phù hợp

với công nghệ.

- Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển đến các địa chỉ thích hợp.

1.1.2. Các thành phần cơ bản của một bộ PLC

Hệ thống PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản gồm: Bộ xử lý, bộ nhớ, bộ

nguồn, giao diện vào ra và các thiết bị lập trình. Sơ đồ hệ thống như sau: Hình 1.2.

Sơ đồ hệ thống của PLC

a. Bộ xử lý:

Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU) là linh kiện chứa bộ vi xử lý. Bộ xử

lý nhận các tín hiệu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình

được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt

động đến các thiết bị ra. Nguyên lý làm việc của bộ xử lý tiến hành theo từng bước

tuần tự. Đầu tiên các thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình được gọi tên tuần

tự và được kiểm soát bởi bộ đếm chương trình. Bộ xử lý liên kết các tín hiệu và

đưa kết quả 5 ra đầu ra. Chu kỳ thời gian này gọi là thời gian quét (scan). Thời gian

vòng quét phụ thuộc vào tầm vóc bộ nhớ, tốc độ của CPU. Chu kỳ một vòng quét

có hình như hình1.3:

Hình 1.3. Chu kỳ một vòng quét

Sự thao tác tuần tự của chương trình dẫn đến một thời gian trễ trong khi bộ đếm

của chương trình đi qua một chu kỳ đầy đủ, sau đó lại bắt đầu lại từ đầu. Để đánh

giá thời gian trễ người ta đo thời gian quét của một chương trình dài 1 Kbyte và coi

đó là chỉ tiêu để so sánh các PLC. Với nhiều loại thiết bị thời gian trễ này có thể tới

20ms hoặc hơn. Nếu thời gian trễ gây trở ngại cho quá trình điều khiển thì phải

dùng các biện pháp đặc biệt, chẳng hạn như lặp lại những lần gọi quan trọng trong

thời gian một lần quét, hoặc là điều khiển các thông tin chuyển giao để bỏ bớt đi

những lần gọi sit quan trọng khi thời gian quét dài tới mức không thể chấp nhận

được. Nếu các biện pháp trên không thỏa mãn thì phải dùng PLC có thời gian quét

ngắn hơn. b. Bộ nguồn: Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện

áp thấp cho bộ vi xử lý (thường là 5VDC) và cho các mạch điện cho các module

còn lại (thường là 24V). c. Thiết bị lập trình: Thiết bị lập trình được sử dụng để lập

các chương trình điều khiển cần thiết sau đó được chuyển cho PLC. Thiết bị lập

triofnh có thể là thiết bị lập trình 6 chuyên dụng, có thể là thiết bị cầm tay gọn nhẹ,

có thể là phần mềm được cài đặt trên máy tính cá nhân. d. Bộ nhớ: Bộ nhớ là nơi

lưu trữ chương trình sử dụng cho các hoạt động điều khiển. Các dạng bộ nhớ có

thể là RAM, ROM, EPROM. Người ta luôn chế tạo nguồn dự phòng cho RAM để

duy trì chương trình trong trường hợp mất điện nguồn, thời gian duy trì tùy thuộc

vào từng PLC cụ thể. Bộ nhớ cũng có thể được chế tạo thành module cho phép dễ

dàng thích nghi với các chức năng điều khiển kích cỡ khác nhau, khi cần mở rộng

có thể cắm thêm. e. Giao diện vào/ra: Giao diện vào là nơi bộ 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, bộ cảm biến nhiệt độ, các tế bào quang điện,… Tín hiệu ra

có thể cung cấp cho các cuộn dây công tắc tơ, các rơle, 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 hiệ

logic,… Các tín hiệu vào/ra có thể biểu hiện như sau:

Mỗi điểm vào/ra có một địa chỉ

Hình 1.4. Giao diện vào ra của PLC

Các kênh vào ra đã có chức năng cách ly và điều hóa tín hiệu sao cho các bộ cảm

biến và các bộ tác động có thể nối trực tiếp với chúng mà không cần thêm mạch

điện khác. Tín hiệu vào thường được ghép cách điện (cách ly) nhờ linh kiện quang

như hình 1.5. Dải tín hiệu nhận vào cho các PLC cỡ lớn có thể là 5V, 24V, 110V,

220V. Các PLC cỡ nhỏ chỉ nhập tín hiệu 24V

.

Hình 1.5. Mạch cách ly tín hiệu vào

Tín hiệu ra cũng được ghép cách ly, tín hiệu ra cũng được cách ly kiểu rơ le

nhưhình 1.6 hay cách ly kiểu quang như hình 1.7. Tín hiệu ra có thể là tín hiệu

chuyển mạch 24V, 100mA; 110V, 1A một chiều; thậm chí 240V, 1A xoay chiều

tùy loại PLC. Tuy nhiên, với PLC cỡ lớn dải tín hiệu ra có thể thay đổi bằng cách

lựa chọn các module ra thích hợp.

Hình

1.6.

Mạch

cách

ly

tín

hiệu

ra

kiểu

rơ

le

8

Hình 1.7. Mạch cách ly tín hiệu ra kiểu quang

1.1.3. Phần mềm

Trước đây, bộ PLC thường rất đắt, khả năng hoạt động bị hạn chế và quy trình lập

trình phức tạp. Vì những lý do đó mà PLC chỉ được dùng trong những nhà máy và

các thiết bị đặc biệt. Ngày nay, do giá thành hạ kèm theo tăng khả năng của PLC

dẫn đến PLC ngày càng được áp dụng rộng cho các thiết bị máy móc. Các bộ PLC

đơn khối với 24 kênh đầu vào và 26 kênh đầu ra thích hợp với các máy tiêu chuẩn

đơn, các trang thiết bị liên hợp. Còn các bộ PLC với nhiều khả năng ứng dụng và

lựa chọn được dùng cho những nhiệm vụ phức tạp hơn. Có thể kể ra các ưu điểm

của PLC như sau: - Chuẩn bị vào hoạt động nhanh: Thiết kế kiểu module cho phép

thích nghi nhanh với mọi chức năng điều khiển. Khi đã được lắp ghép thì PLC sẵn

sàng làm việc ngay. Ngoài ra nó còn được sử dụng lại cho các ứng dụng khác dễ

dàng. - Độ tin cậy cao: Các linh kiện điện tử có tuổi thọ dài hơn các thiết bị cơ

điện. Độ tin cậy của PLC ngày càng tăng, bảo dưỡng định kỳ thường không cần

thiết còn với mạch rơle công tắc tơ thì việc bảo dưỡng định kỳ là cần thiết. - Dễ

dàng thay đổi chương trình: Việc thay đổi chương trình được tiến hành đơn giản.

Để sửa đổi hệ thống điều khiển và các quy tắc điều khiển đang được sử dụng,

người vận hành chỉ cần nhập tập lệnh khác,gần như không cần mắc nối lại dây.

Nhờ đó hệ thống rất linh hoạt và hiệu quả. - Đánh giá nhu cầu đơn giản: Khi biết

các đầu vào và đầu ra thì có thể đánh giá được kích cỡ yêu cầu của bộ nhớ hay độ

dài chương trình. Do đó có thể dễ dàng và nhanh chóng lựa chọn PLC phù hợp với

các yêu cầu công nghệ đặt ra. - Khả năng tái tạo: Nếu dùng PLC với quy cách kỹ

thuật giống nhau thì chi phí lao động sẽ giảm thấp hơn nhiều so với bộ điều khiển

rơle. Đó là do giảm phần lớn lao động lắp ráp. - Tiết kiệm không gian: PLC đòi hỏi

ít không gian hơn so với bộ điều khiển rơle tương đương. - Có tính chất nhiều chức

năng: PLC có ưu điểm chính là có thể sử dụng cùng một thiết bị điều khiển cơ bản

cho nhiều hệ thống điều khiển. Người ta thường dùng PLC cho các quá trình tự

động linh hoạt vì dễ dàng thuận tiện trong tính toán, so sánh các giá trị tương quan,

thay đổi chương trình và thay đổi thông số. - Về giá trị kinh tế: Khi xét về giá trị

kinh tế của PLC ta phải đề cập đến số lượng đầu vào và đầu ra. Quan hệ về giá

thành với số lượng đầu vào và đầu ra có dạng như hình 1.8. Như vậy, nếu số lượng

đầu vào/ra quá ít thì hệ rơle ra kinh tế hơn, nhưng khi số lượng đầu vào/ra tăng lên

thì hệ PLC kinh tế hơn hẳn. 10

Hình 1.8. Quan hệ giữa số lượng vào/ra và giá thành

Có thể so sánh hệ điều khiển rơle và hệ điều khiển PLC như sau:

- Hệ rơle:

. Nhiều bộ phận đã được chuẩn hóa.

. Ít nhạy cảm với nhiễu..

. Kinh tế với các hệ thống nhỏ.

. Thời gian lắp đặt lâu.

. Thay đổi khó khăn.

. Kích thước lớn.

. Cần bảo quản thường xuyên.

. Khó theo dõi và kiểm tra các hệ thống lớn, phức tạp.

- Hệ PLC:

. Thay đổi dễ dàng.

. Lắp đặt đơn giản.

. Thay đổi nhanh quy trình điều khiển.

. Kích thước nhỏ.

. Có thể nối với mạng máy tính.

. Giá thành cao.

. Bộ thiết bị lập trình thường đắt, sử dụng ít. 11

1.1.4. Ứng dụng của hệ thống sử dụng PLC

Từ các ưu điểm trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng trng rất nhiều lĩnh vực khác

nhau trong công nghiệp như:

- Hệ thống nâng vận chuyển.

- Dây chuyền đóng gói.

- Các robot lắp ráp sản phẩm.

- Điều khiển bơm.

- Dây chuyền xử lý hóa học.

- Công nghệ sản xuất giấy.

- Dây chuyền sản xuất thủy tinh.

- Sản xuất xi măng.

- Công nghệ chế biến sản phẩm.

- Điều khiển hệ thống đèn giao thông.

- Quản lý tự động bãi đỗ xe.

- Hệ thống may công nghiệp.

- Điều khiển thang máy.

1.2. Giới thiệu về bộ S7 -300

1.2.1. Giới thiệu chung

Từ khi ngành công nghiệp sản xuất bắt đầu phát triển, để điều khiển một dây

chuyền, một thiết bị máy móc công nghiệp nào,… Người ta thường thực hiện kết

nối các linh kiện điều khiển riêng lẻ (rơle, timer, contactor,…) lại với nhau tùy

theo mức độ yêu cầu thành một hệ thống điện điều khiển đáp ứng nhu cầu mà bài

toán công nghệ đặt ra. Công việc này diễn ra khác phức tạp trong thi công vì phải

thao tác chủ yếu trong việc đấu nối, lắp đặt mất khác nhiều thời gian mà hiệu quả

lại không cao vì một thiết bị có thể cần được lấy tín hiệu nhiều lần mà số lượng lại

rất hạn 12 chế, bởi vậy lượng vật tư là rất nhiều đặc biệt trong quá trình sửa chữa

bảo trì, hay cần thay đổi quy trình sản xuất gặp rất nhiều khó khăn và mất rất nhiều

thời gian trong việc tìm kiếm hư hỏng và đi lại dây bởi vậy năng suất lao động

giảm đi rõ rệt. Với những nhược điểm trên các nhà khoa học, nhà nghiên cứu đã nỗ

lực để tìm ra một giải pháp điều khiển tối ưu nhất đáp ứng mong mỏi của ngành

công nghiệp hiện đại đó là tự động hóa quá trình sản xuất làm giảm sức lao động,

giúp người lao động không phải làm việc ở những khu vực nguy hiểm, độc hại,…

mà năng suất lao động lại tăng cao gấp nhiều lần. Một hệ thống điều khiển ưu việt

mà chúng ta phải chọn để điều khiển cho ngành công nghiệp hiện đại cần phải hội

tụ đủ các yếu tố sau: Tính tự động cao, kích thước và khối lượng nhỏ gọn, giá

thành hạ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt,… Từ đó hệ

thống điều khiển có thể lập trình được PLC (Programmable Logic Control) ra đời

đầu tiên năm 1968 (Công ty General Motors – Mỹ). Tuy nhiên hệ thống này còn

khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành

hệ thống, vì vậy qua nhiều năm cải tiến và phát triển không ngừng khắc phục

những nhược điểm còn tồn tại để có được bộ điều khiển PLC như ngày nay, đã giải

quyết được các vấn đề nêu trên với các ưu việt như sau:

- Là bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán điều khiển.

- Có khả năng mở rộng các module vào ra khi cần thiết.

- Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu thích hợp với nhiều đối tượng lập trình.

- Có khả năng truyền thông đó là trao đổi thông tin với môi trường xung quanh như

với máy tính, các PLC khác, các thiết bị giám sát, điều khiển,... 13

- Có khả năng chống nhiễu với độ tin cậy cao và có rất nhiều ưu điểm khác nữa.

Hiện nay trên thế giới đang song hành có nhiều hãng PLC khác nhau cùng phát

triển như hãng Omron, Mitsubishi, Hitachi, ABB, Siemens,... và có nhiều hãng

khác nữa nhưng chúng đều có chung nguyên ly cơ bản chỉ có vài điểm khác biệt

với từng mặt mạnh riêng của từng ngành mà người sử dụng vào tìm hiểu chi tiết

loại PLC S7-300 của hãng Siemens sản xuất đang được sử dụng khá phổ biến hiện

nay.

Hình 1.9. Miêu tả nguyên lý chung về cấu trúc PLC

Để thực hiện được một chương trình điều khiển thì PLC cũng phải có chức năng

như là một chiếc máy tính nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành,

bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và có các cổng vào/ra để còn trao

đổi thông tin với môi trường bên ngoài. Ngoài ra để thực hiện các bài 14 toán điều

khiển số thì PLC còn có các bộ Timer, Counter và các loại hàm chuyên dụng khác

nữa,... Đã tạo thành một bộ điều khiển rất linh hoạt. 15 1.2.2. Các module của PLC

S7-300

Trong quá trình các ứng dụng thực tế thì với mỗi bài toán điều khiển đặt ra là hoàn

toàn khác nhau bởi vậy việc lựa chọn chủng loại các thiết bị phần cứng là cũng

khác nhau, sao cho phù hợp với yêu cầu mà không gây lãng phí tiền của. Vì vậy

việc chọn lựa các CPU và các thiết bị vào ra là không giống nhau. Bởi vậy PLC đã

được chia nhỏ ra thành các module riêng lẻ để cho PLC không bị cứng hóa về cấu

hình. Số các module được sử dụng nhiều hay ít tùy thuộc từng yêu cầu của bài toán

đặt ra nhưng tối thiểu phải có module nguồn nuôi, module CPU còn các module

còn lại là các module truyền nhận tín hiệu với môi trường bên ngoài, ngoài ra còn

có các module có chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển mờ, điều khiển

động cơ bước, các modul phục vụ cho các chức năng truyền thông,... Tất cả các

module kể trên được gắn trên một thanh Rack.

Hình 1.10. Miêu tả về cấu hình PLC S7-300 16

Trong đó:

1. Là nguồn nuôi cho PLC.

2. Là pin lưu trữ (cho CPU 313 trở lên).

3. Đầu nối 24VDC.

4. Công tắc chọn chế độ làm việc.

5. Đèn LED báo trạng thái và báo lỗi.

6. Card nhớ (cho CPU 313 trở lên).

7. Cổng truyền thông (RS485) kết nối với thiết bị lập trình.

8. Vị trí đấu nối với các thiết bị điều khiển bên ngoài.

9. Nắp đậy bảo vệ trong khi làm việc.

1.2.2.1. Module CPU

Module CPU 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 còn có một vài cổng vào ra

số. Các cổng vào ra số có trên module CPU được gọi là các cổng vào ra Onboard.

Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module CPU khác nhau, được đặt tên theo bộ

vi xử lý có trong nó như module CPU 312, module CPU 314, module CPU 315,...

Hình 1.11. Miêu tả hình dáng của hai CPU 314 và CPU 314IFM

Những module này cùng sử dụng một bộ vi xử lý nhưng khác nhau về cổng vào/ra

Onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong 17 thư viện của

hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra Onboard này được phân biệt

với nhau trong tên gọi bằng cụm từ chữ cái IFM (Intergrated Funtion Module). Ví

dụ như CPU 312IFM, CPU 314IFM,... Ngoài ra còn có các loại module CPU với

hai 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 CPU này được phân biệt với các

loại CPU khác bằng cụm từ DP (Distributed Port). Ví dụ như CPU 315DP.

1.2.2.2. Module nguồn

Module PS (Power Supply). Module nguồn nuôi có 3 loại với các thông số đó là

2A, 5A, 10A. Ví dụ: PS 307-2A, PS 307-5A, PS 307-10A.

Hình 1.12. Miêu tả hình dáng module nguồn nuôi PS307 18

1.2.2.3. Module mở rộng

Module SM (Signal Module). Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra bao gồm:

- DI (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở rộng

có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc từng loại module.

Hình 1.13. Miêu tả hình dáng module SM321 DI 32 point 24VDC

- DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở rộng

có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc từng loại module.

- 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/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tùy thuộc từng

loại module.

- AI (Analog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản chất chúng là

những bộ chuyển đổi tương tự sang số 12 bit (AD), tức là mỗi tín hiệu tương tự

được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bit. Số các cổng vào

tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tùy thuộc từng loại module. 19

Hình 1.14. Miêu tả hình dáng module SM332 AI 8x12 bit

- AO (Analog Output): Module mở rộng các cổng ra tương tự. Chúng thực chất là

những bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự (DA). Số các cổng ra tương tự có

thể là 2, 4 hoặc 8 tùy thuộc từng loại module.

- 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 2, 4 tùy thuộc vào từng loại module.

1.2.2.4. Module ghép nối

Module IM (Interface Module): Module ghép nối. Đây là loại module chuyên

dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối

và được quản lý chung bởi một module CPU. Các module mở rộng được gá trên

một thanh rack. Trên mỗi rack có thể gá được tối đa 8 module mở rộng (Không kể

module CPU và module nguồn nuôi). Một module CPU S7-300 có thể làm việc

trực tiếp được với nhiều nhất 4 racks và các rack này phải được nối với nhau bằng

module IM. Các module này ở các rack mở rộng có thể cần được cung cấp nguồn

cho hệ thống rack đó ngoài ra tùy thuộc vào từng loại module IM mà có thể cho

phép được mở rộng tối đa đến 4 racks ví dụ IM360 chỉ cho mở rộng tối đa là với 1

module. 20

Hình 1.15. Miêu tả hình dáng module IM361

Module FM (Funtion Module): Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ như

module điều khiển động cơ bước, module điều khiển động cơ servo, module PID,

module điều khiển vòng kín,...