Luận văn Giám sát, điều khiển hệ thống đóng nắp chai và động cơ 3 pha bằng biến tần qua mạng profibus

ể gửi đồng loạt (broadcast, multicast) lệnh điều khiển để đặt chế độ đồng bộ cho một nhóm trạm tớ như sau: Lệnh SYNC: Đưa một nhóm trạm tớ về chế độ đồng bộ hoá đầu ra. Ở chế độ này, đầu ra của tất cả các trạm tớ trong nhóm được giữ nguyên ở trạng thái hiện tại cho tới khi nhận được lệnh SYNC tiếp theo. Trong thời gian đó, dữ liệu đầu ra được lưu trong vùng nhớ đệm và chỉ được đưa ra sau khi (đồng loạt) nhận được lệnh SYNC tiếp theo. Lệnh UNSYNC sẽ đưa các trạm tớ về chế độ bình thường (đưa đầu ra tức thì). Lệnh FREEZE: Đưa một nhóm các trạm tớ về chế độ đồng bộ hoá đầu vào. Ở chế độ này, tất cả các trạm tớ trong nhóm được chỉ định không được phép cập nhật vùng nhớ đệm dữ liệu đầu vào, cho tới khi (đồng loạt) nhận được lệnh FREEZE tiếp theo. Trong thời gian đó trạm chủ vẫn có thể đọc giá trị đầu vào (không thay đổi) từ vùng nhớ đệm của các trạm tớ. Lệnh UNFREEZE sẽ đưa các trạm tớ về chế độ bình thường (đọc đầu vào tức thì). 1.2.2.7 Chẩn đoán hệ thống Trong trường hợp có thông tin chẩn đoán, ví dụ báo cáo trạng thái vượt ngưỡng hay các báo động khác, một DP-Slave có thể thông báo cho trạm chủ của nó qua bức điện trả lời. Nhận được thông báo, trạm chủ sẽ có trách nhiệm tra hỏi trạm tớ liên quan về các chi tiết thông tin chẩn đoán. Để thực hiện truyền nạp các bộ tham số hoặc đọc các tập dữ liệu tương đối lớn, PROFIBUS-DP cung cấp các dịch vụ không tuần hoàn là DDLM_Read và DDLM_Write. Trong mỗi chu kỳ bus, trạm chủ chỉ cho phép thực hiện được một dịch vụ. Tốc độ trao đổi dữ liệu tuần hoàn vì thế không bị ảnh hưởn đáng kể. Dữ liệu không tuần hoàn được định địa chỉ qua số thứ tự của khe cắm và chỉ số của tập dữ liệu thuộc khe cắm đó. Mỗi khe cắm cho phép truy nhập tối đa là 256 tập dữ liệu. Các hàm chẩn đoán của DP cho phép định vị lỗi một cách nhanh chóng. Các thông tin chẩn đoán được truyền qua bus và thu nhập tại trạm chủ. Các thông báo này được phân chia thành ba cấp: Chẩn đoán trạm: các thông báo liên quan tới trạng thái hoạt động chung của cả trạm, ví dụ tình trạng quá nhiệt hoặc sụt áp. Chẩn đoán module: các thông báo này chỉ thị lỗi nằm ở một khoảng vào/ra nào đó của một module. Chẩn đoán kênh: trường hợp này, nguyên nhân của lỗi nằm ở một bit vào/ra (một kênh vào/ra) riêng biệt. Ngoài ra, phiên bản DP-V1 còn mở rộng thêm hai loại thông báo chẩn đoán nữa là: Thông báo cảnh báo/báo động liên quan tới các biến quá trình, trạng thái cập nhật dữ liệu và các sự kiện tháo/lắp module thiết bị. Thông báo trạng thái phục vụ mục đích bảo trì phòng ngừa, đánh giá thống kê số liệu…. 1.2.2.8 Giao tiếp giữa các trạm tớ (DXB) Trao đổi dữ liệu giữa các trạm tớ là một yêu cầu thiết thực đối với cấu trúc điều khiển phân tán thực sự sử dụng các thiết bị trường thông minh. Như ta đã biết, cơ chế giao tiếp chủ-tớ thuần túy làm giảm hiệu suất trao đổi dữ liệu cho trường hợp này. Chính vì thế, phiên bản DP-V2 đã bổ sung một cơ chế trao đổi dữ liệu trực tiếp theo kiểu ngang haøng giöõa caùc trạm tớ. Hình1.23: Giao tiếp trực tiếp giữa các trạm tớ Theo như hình trên ta có thể thấy một trạm tớ (ví dụ là một cảm biến) có thể đóng vai trò là “nhà xuất bản” hay “nhà cung cấp” dữ liệu. Khối dữ liệu sẽ được gửi đồng loạt tới tất cả các trạm tớ (ví dụ một van điều khiển, một biến tần) đã đăng ký với vai trò “người đặt hàng” mà không cần đi qua trạm chủ. Với cơ chế này, không những hiệu suất sử dụng đường truyền được nâng cao, mà tính năng đáp ứng của hệ thống còn được cải thiện rõ rệt. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng đòi hỏi tính năng thời gian thực ngặt nghèo, hoặt đối với các ứng dụng sử dụng kỹ thuật truyền dẫn tốc độ thấp. 1.2.2.9 Chế độ đẳng thời Đối với một số ứng dụng như điều khiển truyền đồng điện, điều khiển chuyển động, cơ chế giao tiếp theo kiểu hỏi tuần tự hoặc giao tiếp trực tiếp tớ-tớ chưa thể đáp ứng được đòi hỏi cao về tính năng thời gian thực. Vì vậy, phiên bản DP-V2 bổ sung chế độ đẳng thời, cho phép thực hiện giao cơ chế chủ/tớ kết hợp với TDMA. Nhờ một thông báo điều khiển toàn cục gửi đồng loạt, toàn bộ các trạm trong mạng được đồng bộ hóa thời gian với độ chính xác tới micro-giây. Việc giao tiếp được thực hiện theo một lịch trình đặt trước, không phụ thuộc vào tải tức thời trên bus. Do hạn chế được độ rung, cơ chế này cho phép phối hợp hoạt động một cách chặt chẽ và nhịp nhàng giữa các trạm trên bus. Một ví dụ ứng dụng tiêu biểu là bài toán điều khiển chuyển động, trong đó trạm chủ đóng vai trò bộ điều khiển vị trí và một số trạm tớ là các biến tần với chức năng điều khiển tốc độ động cơ. II. Tổng Quan Về Scada Và Phần mềm WinCC 2.1 Tổng quan về Scada 2.1.1 Giới thiệu SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường. Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy (HMI – Human Machine Interface). SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về khu trung tâm để xử lý. Trong các hệ thống như vậy thì hệ truyền thông và phần cứng được đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn. Trong những năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống. Các chức năng cơ bản của hệ SCADA: Giám sát (Supervision): Chức năng này cho phép giám sát liên tục các hoạt động trong hệ thống điều khiển quá trình. Hiển thị các báo cáo tổng kết về quá trình sản xuất, chỉ thị giá trị đo lường,... dưới dạng trang màn hình, trang đồ họa, trang sự kiện, trang báo cáo sản xuất,... Qua đó nhân viên vận hành có thể thực hiện các thao tác vận hành và can thiệp từ xa đến các hệ thống phía dưới. Điều khiển (Control): Chức năng này cho phép người điều hành điều khiển các thiết bị và giám sát mệnh lệnh điều khiển. Thu thập dữ liệu (Data Acquisition): Thu thập dữ liệu qua đường truyền số liệu về quá trình sản xuất, sau đó tổ chức lưu trữ các số liệu như: số liệu sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự kiện thao tác, sự cố,... dưới dạng trang ghi chép hệ thống theo một cơ sở dữ liệu nhất định. Hình 2.1 : Cấu hình của 1 Scada điển hình 2.1.2 Phân loại hệ thống Scada Có nhiều loại hệ thống Scada khác nhau nhưng trên cơ bản chúng được chia làm 4 nhóm với những tính năng cơ bản sau : Scada độc lập. Scada nối mạng. Scada không có chức năng đồ hoạ (Blind). Scada có khả năng xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực (Real time). Bốn nhóm chính của hệ thống SCADA. Hệ thống SCADA mờ (Blind): đây là hệ thống đơn giản, nó không có hệ thống giám sát. Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống này là thu thập giữ liệu và xử lý dữ liệu bằng đồ thị. Do tính đơn giản nên giá thành thấp. Hệ thống SCADA độc lập: đây là hệ thống có khả năng giám sát và thu thập giữ liệu với một bộ vi xử lý. Hệ này chỉ có thể điều khiển được một hoặc hai máy móc. Vì vậy hệ này chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết. Hệ thống SCADA mạng: là hệ thống có khả năng giám sát và thu thập giữ liệu với nhiều bộ vi xử lý. Các máy tính giám sát được nối mạng với nhau. Hệ này có khả năng điều khiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất. qua hệ truyền thông hệ này được nối với phòng quản lý, phòng điều khiển, có thể nhận điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc phòng thiết kế. Từ phòng điều khiển có thể điều khiển các thiết bị ở xa. Hệ thống SCADA xử Lý đồ họa thời gian thực: là hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu. Nhờ tập tin cấu hình của máy khai báo trước đấy mà hệ có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt động của hệ thống sản xuất. Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái của hệ thống. Khi có sự cố thì báo cho người vận hành kịp thời để xử lý, hoặc cũng có thể hệ thống phát ra tín hiệu để điều khiển dừng tất cả hoạt dộng của hệ thống. 2.1.3 Cấu trúc chung của hệ Scada Trong hệ thống điều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật. Còn hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trò là giao diện giữa người và máy. Các thiết bị và các bộ phận của hệ thống được ghép nối với nhau theo kiểu điểm-điểm (Point to Point) hoặc qua mạng truyền thông. Tín hiệu thu được từ cảm biến có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hoặc tương tự. Khi xử lý trong máy tính, chúng phải được chuyển đổi cho phù hợp với các chuẩn giao diện vào/ra của máy tính.             Các thành phần chính của hệ thống SCADA bao gồm: Giao diện quá trình: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi và các cơ cấu chấp hành. Thiết bị điều khiển tự động: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller), các thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy tính PC với các phần mềm điều khiển tương ứng. Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện người-máy HMI, các trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp. Hệ thống truyền thông: ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống. Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn. Hình 2.2 : Cấu trúc phần mềm của hệ thống Scada 2.2 Giới thiệu phần mềm Wincc 2.2.1 Giới thiệu chung WinCC (Windows Control Center - Trung tâm điều khiển trên nền Windows), cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT và Windows 2000. Trong dòng các sản phẩm thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA với những chức năng hữu hiệu dành cho việc điều khiển. Một trong những đặc điểm của WinCC là đặc tính mở. Nó có thể sử dụng một cách dễ dàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm của người sử dụng tạo nên giao diện người-máy đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác. Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô toàn công ty như: việc tích hợp với những hệ thống cấp cao MES (Manufacturing Excution System - hệ thống quản lý việc thực hiện sản xuất) và ERP (Enterprise Resource Planning). WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt khắp nơi trên thế giới. 2.2.2 Làm việc với Wincc 2.2.2.1 Khởi tạo một dự án Project Để tạo một dự án mới vào File/New. Một hộp thoại xuất hiện cho phép tạo một Project mới. Hình 2.3 : Hộp thoại tạo Project Chọn Single-User Project / OK: tạo một dự án đơn người sử dụng. Chọn Multi-User Project / OK: tạo một dự án đa người sử dụng. Chọn Multi-Client Project / OK: tạo một dự án nhiều khách. Chọn Open an Existing Project/Ok : để mở 1 dự án có sẵn. Sau khi chọn Ok thì một hộp thoại xuất hiện. Đặt tên dự án rồi chọn Create thì cửa sổ màn hình soạn thảo WinccExplorer xuất hiện Hình 2.4 : Của sổ làm việc của WinCCExplorer 2.2.2.2 Hệ thống truyền thông Nhiệm vụ của truyền thông Truyền thông giữa WinCC và hệ thống tự động được thực hiện thông qua các kênh truyền dẫn tương ứng, ví dụ như Ethernet hay Profibus. Sự truyền thông được quản lý bởi các driver truyền thông đặc biệt mà trong WinCC gọi là các kênh (channel). WinCC có các kênh truyền thông cho hệ thống tự động SIMATIC S5/S7/505 và các kênh không phụ thuộc vào nhà sản xuất như PROFIBUS DP và OPC. Ngoài ra còn có các kênh tùy chọn có sẵn trong các chương trình phụ trợ. Truyền thông giữa WinCC và các chương trình ứng dụng khác như MS Excel hay SIMATIC Protool được thực hiện với sự trợ giúp của OPC ( Object Linking and Embedding for Process Control – Nhúng và liên kết đối tượng trong điều khiển quá trình). Khi máy chủ WinCC OPC được sử dụng, các dữ liệu sẽ được WinCC tạo ra sẵn đưa đến các ứng dụng, dữ liệu trong các máy chủ OPC khác cũng được WinCC nhận thông qua OPC client. Truyền thông thông qua OPC Các máy khách OPC có thể truy cập dữ liệu WinCC thông qua các máy chủ OPC. Có thể sử dụng các kiểu truy cập như sau: - Truy cập đến các Tag của WinCC thông qua máy chủ WinCC OPC DA. - Truy cập đến hệ thống lưu trữ thông qua máy chủ WinCC OPC HDA. - Truy cập đến hệ thống thông báo thông qua máy chủ WinCC OPC A&E. 2.2.2.3 Tạo Tags Để tạo kết nối các thiết bị trên một dự án trong WinCC, trước tiên phải tạo các Tags (biến) trên WinCC. Biến được tạo dưới Tag Management. Tags gồm Internal Tags ( Biến nội) và External Tags (Biến ngoại). Internal Tags : là biến có sẵn trong WinCC. Những biến nội này là những vùng nhớ trong của WinCC, có chức năng như một PLC thực sự. External Tags : là biến quá trình, phản ánh thông tin địa chỉ của hệ thống PLC. Các Tags có thể được lưu trong bộ nhớ PLC hoặc trên các thiết bị khác. WinCC kết nối PLC thông qua các Tags. 2.2.2.4 Thiết kế giao diện đồ hoạ ( Graphics Designer) Hệ thống đồ họa là một phần quan trọng của WinCC, được dùng để giám sát hình ảnh hoạt động của các quá trình. Gồm có những chức năng sau: Hiển thị trạng thái, sự vận hành và điều khiển của các đối tượng. Cập nhật những thay đổi của các đối tượng động, ví dụ: thay đổi chiều dài của đồ thị trong mối quan hệ với giá trị của quá trình. Tác động trở lại đến các ngõ vào vận hành, ví dụ: khi ta click vào button bên trong giao diện giám sát để điều khiển một ngõ vào ngoài mô hình. Những thành phần của hệ thống đồ họa: Hệ thống đồ họa gồm 2 phần chính: Hiển thị giao diện thiết kế " Graphics Designer" nghĩa là người dùng có thể thiết kế một giao diện giống như mô hình thực tế để quan sát. "Graphics Runtime": trong khi dự án hoạt động, người dùng có thể giám sát sự hoạt động và các thay đổi thực tế bằng cách liên kết các biến đến các đối tượng trong giao diện. Graphic Runtime sẽ thực thi các mô phỏng giúp người sử dụng theo dõi chính xác những gì đang hoạt động trong quá trình thực tế. 2.2.2.4 Hệ thống thông báo (Alarm Logging) Nhiệm vụ : Hệ thống báo hiệu thông báo cho người vận hành biết các dấu hiệu lạ và các lỗi trong hệ thống, giúp người vận hành xác định tình trạng nghiêm trọng của lỗi và tránh được thời gian ngưng trệ của hệ thống. Trong khi thiết kế hệ thống báo hiệu, cần xác định rõ sự kiện nào sẽ kích hoạt thông báo. Sự kiện đó có thể là một bit nào đó trong PLC được thiết lập, hoặc một giá trị của quá trình tiến đến giá trị giới hạn. Thành phần của hệ thống Một hệ thống báo hiệu bao gồm hai thành phần là thành phần thiết lập cấu hình và thành phần thực thi hệ thống. Thành phần thiết lập cấu hình là chương trình Alarm Logging. Alarm Logging sẽ xác định khi nào và loại thông báo nào sẽ được hiển thị với nội dung gì. Alarm Logging Runtime là thành phần thực thi của hệ thống báo hiệu. Khi thực hiện chương trình, Alarm Logging Runtime chịu trách nhiệm thực hiện theo dõi các quá trình đã được thiết lập sẵn. Nó cũng điều khiển việc xuất các thông báo và quản lý việc báo nhận các thông báo xuất ra. Khối thông báo Mỗi thông báo bao gồm các khối thông báo. Mỗi khối thống báo tương ứng với một cột hiển thị trong bảng trong WinCC AlarmControl. Có ba loại khối thông báo như sau: Khối hệ thống bao gồm các dữ liệu của hệ thống như ngày tháng, thời gian, trạng thái hệ thống... Khối giá trị của quá trình bao gồm các giá trị của quá trình được theo dõi như mực chất lỏng hiện tại, tốc độ quay của động cơ hay nhiệt độ của lò.. Khối văn bản là các mô tả, giải thích của người sử dụng về các lỗi, các quá trình hoạt động. Các trạng thái cơ bản của một thông báo Một thông báo có ba trạng thái khác nhau : Một thông báo luôn ở trạng thái “Active” cho đến khi sự kiện kích hoạt thông báo đó không còn tồn tại. Ngay sau khi sự kiện kích hoạt thông báo không còn tồn tại, thông báo mang trạng thái “Cleared”. Một thông báo có thể được thiết lập sao cho người vận hành có thể lưu ý đến nó. Khi đó thông báo sẽ có trạng thái “Acknowledge”. Các trạng thái hiện tại của một thông báo sẽ được hiển thị trong thông báo và được phân biệt bằng các màu khác nhau. 2.2.2.5 Hệ thống lưu trữ (Tag Logging) Nhiệm vụ Trong bất kỳ thời điểm nào, ta đều có thể xem được giá trị hiện tại của một quá trình. Tuy nhiên, nếu muốn hiển thị sự phát triển theo thời gian của một giá trị trong quá trình hoạt động, ví dụ như vẽ biểu đồ hoặc một bảng kê số liệu, ta cần phải truy cập các giá trị xảy ra trước đó. Các giá trị này sẽ được lưu lại trong hệ thống lưu trữ. Trong thực tế, việc hiển thị các giá trị tạm thời rất quan trọng vì chúng giúp nhận ra được sự cố một cách nhanh nhất. Ví dụ, sự sụt giảm đáng kể mực nước trong một bồn chứa có thể là kết quả của sự rò rỉ, dẫn đến việc ngừng trệ sản xuất hoặc hư hỏng thiết bị. Việc biết được giá trị mực nước tại các thời điểm có thể phát hiện sớm hư hỏng và loại trừ các vấn đề nghiêm trọng xảy ra trong hệ thống. Đó là lý do phải có hệ thống lưu trữ dữ liệu. Các thành phần của hệ thống lưu trữ Thành phần thiết lập cấu hình cho hệ thống lưu trữ là chương trình Tag Logging. Với Tag Logging ta có thể xác định giá trị nào sẽ được lưu trữ, định nghĩa chu kỳ thu thập và lưu trữ dữ liệu Tag Logging Runtime là thành phần thực thi trong hệ thống lưu trữ. Tag Logging Runtime chịu trách nhiệm ghi lại các giá trị của quá trình vào hệ thống lưu trữ. Ngoài ra, nó cũng có nhiệm vụ đọc lại các giá trị đã được lưu trữ trong hệ thống. Xuất dữ liệu của quá trình Dữ liệu của quá trình có thể hiển thị dưới dạng hình ảnh hoặc xuất ra dưới dạng file báo cáo. Ta có thể xuất chuỗi thời gian của quá trình thành một file hình ảnh. Có ba đối tượng để thực hiện việc này trong Graphic Designer, đó là WinCC OnlineTrendControl và WinCC FunctionTrendControl để hiển thị dạng đồ họa và WinCC OnlineTableControl để hiển thị dạng bảng. Bên cạnh đó còn có thể xuất dữ liệu lưu trữ ra thành một báo cáo. Báo cáo cũng có thể tùy chọn dạng bảng hoặc dạng đồ họa. III. Giới Thiệu Các Thiết Bị Được Sử Dụng Trong Luận Văn 3.1 PLC S7-200 3.1.1 Giới thiệu PLC S7-200 Lý thuyết PLC thì rất rộng nên trong chương này chúng em chỉ trình bày những khái niệm cơ bản và những phần lý thuyết liên quan PLC S7-200 loại CPU 224 được sử dụng trong đồ án. S7-200 là một loại PLC Micro của Siemens có nhiều tính năng ứng dụng mạnh mẽ. chúng tích hợp sẵn các I/O trên CPU. Hình 3.1: Sơ đồ tổng quan của một loại PLC S7-200 S7-200 có nhiều loại tùy theo CPU, mỗi CPU có những đặc tính và tính chất ứng dụng khác nhau như CPU 221, CPU 222, CPU 224 và CPU 226. Ngoài ra, S7-200 còn có 2 loại CPU phiên bản khác là CPU 224 XP và CPU 226 XM. Tổng số I/O max tương đối lớn, khoảng 256 I/O. Số module mở rộng tùy theo CPU có thể lên đến tối đa 7 module. Tích hợp nhiều chức năng đặc biệt trên CPU như ngõ ra xung, high speed counter, đồng hồ thời gian thực, v.v… Module mở rộng đa dạng, nhiều chủng loại như analog, xử lý nhiệt độ, điều khiển vị trí, module mạng, v.v… Hình 3.2 : Đặc tính kỹ thuật của các họ CPU S7-200 PLC S7-200 gồm các phần chính sau : Khối CPU. Khối nhớ RAM, ROM, EPROM, EEPROM. Khối vào-ra. Khối nguồn. Khối mở rộng. Hình 3.3 : Cấu tạo chung của một PLC CPU 224 có hai loại thông dụng dựa vào ký hiệu trên nắp máy bao gồm : CPU 224 DC/DC/DC, CPU 224 AC/DC/RLY. Loại CPU 224 DC/DC/DC : Cần được cấp nguồn điện một chiều DC 24V, các đầu vào và đầu ra cũng cần được cấp nguồn điện DC 24V. Sơ đồ đấu dây : Hình 3.4 : Sơ đồ đấu dây loại CPU 224 DC/DC/DC Loại CPU 224 AC/DC/RLY : Cần được cấp nguồn điện xoay chiều một pha 220ACV, các đầu vào cần được cấp nguồn điện DC 24V và các đầu ra là các Relay. Sơ đồ đấu dây : Hình 3.5 : Sơ đồ đấu dây loại CPU 224 AC/DC/RLY 3.1.2 Bộ Nhớ PLC S7-200 : Bộ nhớ PLC S7-200 gồm có 3 vùng nhớ chính : Vùng Nhớ Chứa Chương Trình Ứng Dụng : OB1 ( Organisation Block ) : vùng nhớ chứa chương trình chính, PLC luôn quét các lệnh trong vùng nhớ này. Subroutine ( Chương trình con ) : vùng nhớ chứa chương trình con, chương trình con được thực hiện khi được gọi bởi chương trình chính. Interrup ( Chương trình ngắt ) : vùng nhớ chứa chương trình ngắt, chương trình này sẽ thực hiện khi có một ngắt xảy ra như : ngắt Timer, ngắt của HSC… 3.1.2.2 Vùng Nhớ Chứa Tham Số : Chia làm 5 miền khác nhau: Vùng nhớ I ( Process Image Input ) : vùng dữ lieu các cổng vào số , khi thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic tất cả các cổng đầu vào rồi cất chúng trong vùng nhớ I. Chương trình sẽ đọc giá trị logic các cổng đầu vào thông qua vùng nhớ I. Vùng nhớ Q ( Process Image Output ) : vùng nhớ đệm cho các cổng ra số. Khi kết thúc thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số. Vùng nhớ M : chương trình sử dụng các tham số này cho việc lưu giữ các biến cần thiết. Vùng nhớ này có thể truy cập theo bit (M), byte (MB), từ (MW), hay từ kép (MD). Vùng nhớ T (Timer) : dùng để lưu trữ giá trị đặt trước, giá trị hiện tại cũng như giá trị đầu ra của Timer. Vùng nhớ C (Counter) : dùng để lưu giá trị đặt trước, giá trị hiện tại cũng như giá trị đầu ra của Counter. Vùng Chứa Các Khối Dữ Liệu : Data Block : vùng chứa dữ liệu được chia thành khối. Kích thước do người sử dụng quy định. Vùng nhớ này có thể truy cập theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW) hoặc từ kép (DBD). Local Data Block : vùng dữ liệu địa phương, các khối chương trình chính, chương trình con, chương trình ngắt sử dụng và tổ chức cho các biến nháp tạm thời. Nội dung của khối dữ liệu trong vùng nhớ này khi kết thúc chương trình tương ứng trong chương trình chính, chương trình con hay chương trình ngắt. Vùng nhớ này có thể truy cập theo từng bit (L), byte (LB), từ (LW) hoặc từ kép (LD). 3.2 Module analog EM235 Hình 3.6 : Sơ đồ đấu dây phần cứng 3.2.1 Đặc tính chung Kích thước vật lí : 90x80x62 mm. Khối lượng : 0.2 Kg. Công suất tiêu tán : 2 W Gồm 3 ngõ vào analog và 1 ngõ ra analog Đầu vào : Trở kháng vào >= 10M. Điện áp cực đại ngõ vào : 32 mA. Dòng điện cực đại ngõ vào 32 mA. Có các bộ chuyển đổi ADC, DAC (12 bit). Thời gian chuyển đổi analog sang digital : < 250 µs Đáp ứng đầu vào của tín hiệu tương tự : 1.5ms đến 95% Chế độ Mode chung : điện áp vào đầu (+) của chế độ Mode chung nhỏ hơn hoặc bằng 12V. Kiểu dữ liệu đầu vào : Kiểu không dấu tầm từ 0 đến 32000, kiểu có dấu tầm từ -32000 đến 3200 Đầu ra : Phạm vi áp ngõ ra : +/- 10V. Phạm vi dòng điện ngõ ra : 0 → 20mA. Độ phân giải toàn tầm : Điện áp : 12 bit Dòng điện : 11 bit Có Led báo trạng thái. Có núm chỉnh OFFSET và chỉnh GAIN. Kiểu dữ liệu đầu ra : Kiểu dữ liệu không dấu : tầm từ 0 đến 32000 Kiểu dữ liệu có dấu : tầm từ -32000 đến 32000. Thời gian gửi tín hiệu đi : Điện áp 100µs. Dòng điện 2ms. Mạch điều khiển sử dụng nguồn cung cấp 24VDC Có các contact để lựa chọn phạm vi áp ngõ vào (contact ở một trong hai vị trí ON và OFF) : contact 1 lựa chọn cực tính áp ngõ vào : ON đối với áp đơn cực, OFF đối với áp lưỡng cực; contact 3,5,7,9,11 chọn phạm vi điện áp. 3.2.2 Các bước chỉnh đầu vào Tắt nguồn của Module, chọn tầm đầu vào theo yêu cầu. Bật nguồn dòng hoặc áp chuẩn dùng để đưa tín hiệu 0 và 1 trong 3 đầu vào. Đọc giá trị mà PLC đọc được bằng kênh đầu vào thích hợp. Chỉnh giá trị Offset có thể cho đến khi giá trị đọc vào là 0 hoặc nhận ra giá trị Data. Đặt giá trị tín hiệu toàn tầm đo vào ngõ vào, đọc giá trị mà CPU nhận được. Chỉnh độ lợi có thể cho đến khi giá trị đọc được là 32000 hay nhận được giá trị Data. Lặp lại các quá trình chỉnh Gain và Offset cho đến khi đạt yêu cầu. Hình 3.7 : Contact chỉnh đầu vào EM235 Hình 3.8 : Bảng chỉnh đầu vào EM235 Hình 3.9 : Sơ đồ khối ngõ vào EM235 Tín hiệu tương tự được đưa vào các đầu vào A+, A- ,B+, B-, C+, C-, sau đó qua các bộ lọc nhiễu, qua bộ đệm, bộ suy giảm, bộ khuếch đại rồi đưa đến khối chuyển đổi ADC, chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 12 bit. 12 bit dữ liệu này được đặt bên trong từ ngõ vào analog của CPU như sau: 12 bit dữ liệu ra từ bộ chuyển đổi ADC được canh trái trong từ dữ liệu. Bit MSB là bit dấu ( 0 dùng để diễn tả giá trị từ dữ liệu dương, 1 dùng để diễn tả giá trị âm). Hình 3.10 : Sơ đồ khối ngõ ra EM235 12 bit dữ liệu đặt bên trong từ ngõ ra analog của CPU như sau : 12 bit dữ liệu trước khi đưa vào bộ chuyển đổi DAC được canh trái trong từ dữ liệu ngõ ra. Bit MSB là bit dấu : 0 để diễn tả giá trị từ dữ liệu dương. 4 bit thấp có các giá 0 được loại bỏ trước khi từ dữ liệu này được đưa vào bộ chuyển đổi DAC. Các bit này không ảnh hưởng đến giá trị ở ngõ ra. Các chú ý khi cài đặt ngõ vào EM235 Chắc chắn nguồn 24VDC cung cấp cho cảm biến không bị nhiễu và ổn định. Xác định được Module. Dùng dây cảm biến ngắn nhất nếu có thể. Sử dụng dây bọc giáp cho cảm biến và dây chỉ dùng cho một cảm biến thôi. Ngắn mạch đầu vào các ngõ vào không sử dụng. Tránh gọt các đầu dây quá nhọn. Tránh đặt các dây tín hiệu song song với dây có năng lượng cao. Nếu hai bắt buộc phải gặp nhau thì bắt chéo chúng về góc phải. 3.3 Module mạng EM277 3.3.1 Giới thiệu CPU S7-200 có thể kết nối vào một mạng PROFIBUS DP nhờ vào sử dụng module mở rộng EM 277. Khối EM 277 cho phép S7-200 trờ thành một trạm tớ trên mạng. Một trạm chủ có thể ghi và đọc dữ liệu từ các khối S7-200 trong mạng thông qua khối mở rộng EM 277. Hình 3.11 : Khối EM 277 3.3.2 Các thông số của EM 277 Thông số vật lý: Kích thước: 71 mm x 80 mm x 62 mm Trọng lượng: 175 g Công suất: 2.5 W Thông số truyền dữ liệu: Số lượng cổng: 1 Giao diện điện tử: RS-485 Tốc độ PROFIBUS-DP/MPI : 9.6 ,19.2, 45.45, 93.75, 187.5, 500 Kbaud; 1, 1.5, 3, 5, 12 M baud Giao thức: PROFIBUS-DP slave và MPI slave Chiều dài cáp : phụ thuộc tốc độ Gần đến 93.75 K baud : 1200 m 187.5 K baud : 1000 m 500 K baud: 400 m 1 đến 1.5 M baud: 200 m 3 đến 12 M baud: 100m Khả năng mạng: Địa chỉ trạm: 0-99 (thiết lập bằng nút xoay) Số luợng trạm tối đa một phân đoạn : 32 Số lượng trạm tối đa một mạng: 126, lên đến 99 trạm EM 277 3.3.3 Trao đổi dữ liệu EM277 và S7-200 trong mạng Profibus-DP Các CPU S7-200 có thể kết nối vào mạng Profibus-DP thông qua module EM277 Profibus-DP bằng cổng nối tiếp (Có tốc độ truyền từ 9600 baud đến 12 Mbaud). Khi là thiết bị DP Slave, module EM277 Profibus-DP có thể chấp nhiều loại cấu hình I/O khác nhau từ Master để truyền các dữ liệu cho Slave.Vì vậy, thiết bị EM277 không chỉ truyền các I/O dữ liệu mà còn có thể di chuyển khối dữ liệu đến vùng nhớ biến (vùng V) xác định trong CPU S7-200. Điều này cho phép người sử dụng có thể truyền bất kỳ loại dữ liệu nào từ Slave như : đầu vào (input), giá trị bộ đếm (Counter), giá trị bộ đếm thời gian ( Timer), hay các giá trị tính toán khác đến Master thông qua vùng nhớ biến (Vùng V) được cài đặt cấu hình cho việc truyền thông. Tương tự như vậy, dữ liệu từ Master cũng được ghi vào vùng nhớ biến (Vùng V) trong CPU S7-200. Port DP trong module EM277 Profibus-DP có thể được gắn trực tiếp vào DP Master trong mạng. Ngoài ra, module này còn có thể truyền thông trong mạng MPI và được xem như một Slave của một Master khác : các thiết bị lập trình có khả năng lập trình Simatic hay S7-300/400 trong cùng một mạng. Trong kĩ thuật PROFIBUS-DP thì dữ liệu trao đổi được mô tả luôn tuân theo một quy tắc hướng về trạm chủ. Dữ liệu chuyển từ trạm chủ đến trạm tớ luôn gọi là dữ liệu ngõ ra. Dữ liệu chuyển từ trạm tớ đến trạm chủ luôn gọi là dữ liệu ngõ vào. Dữ liệu chuyển đến từ trạm chủ luôn được coi là dữ liệu ngõ ra mặc dù đối với trạm tớ, nó là ngõ vào. Tương tự như vậy, dữ liệu gửi về trạm chủ luôn coi là dữ liệu ngõ vào mặc dù đối với trạm tớ nó là ngõ ra. Hình 3.12 : Một ví dụ về vùng nhớ V của S7-200 và vùng nhớ I/O của trạm chủ Trạm chủ xác định địa chỉ bắt đầu của bộ đệm ngõ ra (hộp thư nhận). Trạm chủ gửi offset của vùng nhớ V của vùng đệm ngõ ra đến trạm tớ như là một phần trong khai báo các thông số của trạm tớ. Nếu offset này có giá trị là 0, trạm tớ sẽ đặt bộ vùng đệm ngõ ra tại địa chỉ VB0. Nếu offset có giá trị 5000, nó sẽ đặt tại địa chỉ VB5000. Đồng thời với việc gửi đi địa chỉ bắt đầu, trạm chủ cũng xác định kích thước của vùng đệm ngõ ra (hộp thư nhận). Người điều khiển cấu hình trạm chủ để viết một số byte dữ liệu gửi tới trạm tớ. Trạm chủ gửi thông tin này đi như là một phần trong định cấu hình của trạm tớ. Trạm tớ sử dụng thông tin này để xác định kích thước của vùng đệm ngõ ra. Nếu trạm chủ quy định trạm tớ có 16 byte ngõ ra, trạm tớ sẽ xác định của vùng đệm ngõ ra là 16 byte. Ví dụ, vùng đệm ngõ ra bắt đầu từ địa chỉ VB5000, dữ liệu ngõ ra từ trạm chủ sẽ được ghi vào vùng nhớ từ VB5000 đến VB5015. Vùng đệm ngõ vào (hộp thư nhận hay dữ liệu phản hồi về trạm chủ) lập tức theo sau vùng đệm ngõ ra. Người điều khiển cũng cấu hình trạm chủ về khối lượng dữ liệu phản hồi về từ trạm tớ. Giá trị này được ghi vào trạm tớ như là một phần cấu hình của nó. Trạm tớ sử dụng thông tin này để ấn định kích thước của vùng đệm ngõ vào. Tiếp theo ví dụ trên, nếu như trạm chủ đặt vùng đệm ngõ ra tại địa chỉ VB5000 và ấn định kích thước là 16 byte thì vùng đệm ngõ vào bắt đầu từ địa chỉ VB5016 ngay sau vùng đệm ngõ ra. Nếu như kích thước của vùng đệm ngõ vào là 16 bytes thì nó sẽ được đặt trong vùng nhớ từ VB5016 đến VB5031. Sau khi kết nối giữa trạm chủ và trạm tớ được thiết lập, vị trí của vùng đệm ngỏ ra và kích thước của vùng đệm có thể được đọc từ vùng nhớ đặt biệt (SM) của CPU. Bảng dưới đây ghi lại vị trí vùng nhớ mô tả về khối EM 277 đầu tiên được kết nối. Nếu nó là khối module thứ hai thì địa chỉ SM dời đi 50 (SMB250 đến SMB279). SMB200 đến 215 Nội dung là 16 kí tự ASCII tên module SMB216 đến 219 Nội dung là phiên bản phần mềm của khối EM 277. Hai ký tự đầu cho biết số trước dấu chấm và hai ký tự sau cho biết số sau dấu chấm. Ví dụ: SMB216-219 có nội dung là “0102” thì phiên bản phần mềm là 1.02 SMW220 Nội dung là lưu trạng thái báo lỗi của khối EM 277. Chỉ có hai giá trị được xác định. Giá trị “0” nếu không có lỗi và nếu là giá trị “1” nghĩa là không cung cấp nguồn 24 VDC cho khối. SMB222 Đây là địa chỉ của EM 277 được đọc từ các công tắc SMB224 Nội dung là trạng thái kết nối PROFIBUS DP. Người điều khiển có thể giám sát vị trí này để chương trình biết là kết nối ở trạng thái hoạt động tốt hay không. Nếu như có lỗi xảy ra, chương trình có thể xử lý dựa trên lỗi của kết nối DP. Sau đây là các giá trị trạng thái được xác định: 0: không có truyền đạt thông tin DP nào xảy ra từ khi EM 277 cấp nguồn hoạt động 1 : trạm chủ DP đang truyền thông tin đến EM 277 nhưng có vấn đề trong việc cấu hình hay khai báo thông số gử từ trạm chủ. 2: khối EM 277 và trạm chủ đang trao đổi dữ liệu (hoạt động bình thường ). 3: khối EM277 và trạm chủ trước đó có trao đổi dữ liệu nhưng giờ thì không. SMB225 Nội dung là địa chỉ trên mạng của trạm chủ cấu hình cho khối EM 277. Trạm chủ này có thể ghi ngõ ra và đọc ngõ vào từ trạm tớ. SMW226 Nội dung là địa chỉ vùng nhớ V của vùng đệm ngõ ra. Giá trị này được lưu vào trạm tớ trong một thông điệp khai báo thông số trong suốt giai đoạn đầu của việc kết nối. SMB228 Nội dung là kích thước của vùng đệm ngõ ra. Giá trị này được lưu vào trạm tớ trong một thông điệp cấu hình trong suốt giai đoạn đầu của việc kết nối. SMB229 Nội dung là kích thước của vùng đệm ngõ vào. Giá trị này được lưu vào trạm tớ trong một thông điệp cấu hình trong suốt giai đoạn đầu của việc kết nối. Lưu ý rằng vùng nhờ từ 226 đến 229 cho biết dữ liệu lưu vào EM 277 từ tram chủ. Vì vậy nếu có lập trình ở những vùng nhớ này cũng không thể thay đồi được kích thước và địa chỉ của vùng đệm. Khối EM 277 lưu những vị trí này vào CPU khi mà có một sự thay đổi trạng thái của việc kết nối hay khi trạm chủ gửi giá trị mới tới EM 277. 3.3.4 Các bước thiết lập địa chỉ mạng DP cho khối EM 277 Ngắt nguồn cấp cho CPU và khối EM 277 Thiết lập nút xoay trên mặt trước của khối EM 277 để được địa chỉ mong muốn. Có 2 nút chọn X10 và X1, X10 để thiết lập hàng chục và X1 để thiết lập hàng đơn vị. Cấp nguồn lại cho CPU và khối EM 277 3.4 Giới thiệu biến tần ABB (Series : ASC150) Hình 3.13 : Biến tần ABB 3.4.1 Các thông số kỹ thuật ACS150-01E-04A7-2 ACS150: số series sản phẩm 01: cấp điện 1 pha E: tần số lọc 50HZ 04A7: , A, 2= 200...240VAC 3.4.2 Sơ đồ đấu dây Hình 3.14 : Sơ đồ các ngõ của biến tần 3.4.3 Bảng điều khiển Gồm các phím điều khiển và màn hình hiển thị. 1).Màn hình LCD: Được chia làm 5 vùng: a).Trên cùng bên trái- loại điều khiển LOC: điều khiển cục bộ sử dụng phím nhấn trên bảng điều khiển REM: điều khiển bên ngoài sử dụng các ngõ I/O b).Trên cùng bên phải-đơn vị của giá trị c).Ở giữa: biến số ,hiển thị giá trị tần số đang hoạt động... d).Dưới và ở giữa bên trái - bảng trạng thái hoạt động OUTPUT: chế độ ngõ ra đang hoạt động. PAR: Đứng yên: đang ở chế độ tham số Chớp tắt: thay đổi chê độ MENU: menu chính FAULT: lỗi e).Dưới cùng bên phải: chiều quay 2).Phím RESET/EXIT : thoát ra mức trước của menu mà không lưu giá trị 3).Phím MENU/ENTER: enter vào sâu trong menu chính. Trong chế độ tham số lưu giá trị hiển thị khi cài đặt mới 4).UP:Di chuyển lên, tăng giá trị tham số 5).DOWN:Di chuyển xuống, giảm giá trị tham số 6).LOC/REM: Chọn loại điều khiển cục bộ hay điều khiển bên ngoài 7).DIR: thay đổi chiều quay động cơ 8).STOP: dừng động cơ 9).START: khởi động động cơ 10).Biến trở thay đổi tần số chuẩn Hình 3.15 : Sơ đồ điều khiển của biến tần 3.4.4 Cách thiết lập thông số Hình 3.16 : Trình tự thiết lập thông số 3.5 Card mạng CP5611 3.5.1 Giới thiệu Module CP5611 được trang bị 1 ngõ giao tiếp Profibus lên đến 12Mbps. Nó được thiết kế để hoạt động trong PGs và PCs qua ngõ PCI theo chuẩn PCI V2.2. Giao tiếp thêm với các tín hiệu PLC (Programmable Logic Controller) lên đến 187.5Kbps. Với bộ sử lý truyền thông CP5611 giao tiếp với 32 thiết bị (PC, PG, Simatic S7 hoặc ET 200) có thể được kết nối với nhau tạo thành 1 đoạn mạng. Bằng cách ghép nối nhiều đoạn thì ta có tối đa 127 trạm. Truyền thông theo MPI/DP trong môi trường truyền RS-485. Tốc độ truyền từ 9.6Kbps đến 12Mbps. 3.5.2 Cài đặt CP5611 vào PG/PC Làm theo các bước sau : Tắt nguồn máy tính. Mở thùng máy tính. Đặt CP5611 vào khe cắm PCI. Đóng thùng máy tính. Mở nguồn cho máy tính. IV. Giới Thiệu Hệ Thống Đóng Nút Chai Và Điều Khiển Động Cơ 3 Pha 4.1 Hệ thống đóng nắp chai tự động (Station 1) Hệ thống bao gốm: Bộ điều khiển : 1 CPU S7-200/224, 1 module mở rộng Digital EM233, 1 module mạng Profibus EM277 Bo mạch điều khiển. Hệ thống cơ khí Hệ thống Van khí/Pittong. Hệ thống cảm biến. Hình 4.1 : Mô hình cơ khí của hệ thống đóng nút chai Hệ thống gồm 5 băng tải và 4 bộ phận. Bộ phận chiết nước : Gồm băng tải 1, bộ phận chiết nước và cảm biến Hinh 4.2 : Bộ phận chiết nước Khi có chai được cấp vào thì băng chuyền 1 sẽ đưa chai đến vị trí cảm biến châm nước băng chuyền sẽ dừng lại ,lúc này bộ phận chiết nước sẽ được hạ xuống bởi Van khí 3 và động cơ chiết nước sẽ chiết nước vào chai (thời gian có thể thay đổi được tùy theo thể tích của chai). Mức nước trong chai sẽ được định khoảng một thời gian Delay .Nếu chai được bơm đầy thì hệ thống chiết nước sẽ được nâng lên và băng chuyền 1 sẽ được set để đưa chai tới băng chuyền 2. Băng chuyền 2 sẽ đưa chai tới hệ thống đặt nắp chai. Bộ phận đặt nắp chai : Gồm băng tải 2, bộ phận đặt nắp chai, cảm biến Hình 4.3 : Bộ phận đặt nắp Khi cảm biến 2 phát hiện có chai thì băng chuyền 2 sẽ dừng lại và hệ thống đặt nắp chai sẽ được hạ xuống. Động cơ bước sẽ quay 1 góc đúng bằng 90 độ để đưa nắp chai vào đúng vị trí cần thiết, đồng thời xilanh 2 sẽ được set để đóng nút chai vào miệng chai. Sau đó hệ thống đặt nắp chai sẽ được nâng lên, băng chuyền 2 sẽ được set trở lại để đưa chai tới băng chuyền 3. Bộ phận vặn nắp chai : Gồm băng tải 3, bộ phận vặn nắp, cảm biến Hình 4.4 : Bộ phận vặn nắp Khi băng chuyền 3 đưa chai đến vị trí cảm biến 3 thì băng chuyền 3 sẽ dừng lại. Hệ thống vặn nắp sẽ được hạ xuống. VK6 và VK9 sẽ được Set để ép chặt nắp chai từ hai bên, lò xo sẽ ép nắp chai từ phía trên. Động cơ vặn nắp sẽ quay trong 1 khoảng thời gian nhất định để vặn chặt nút chai. Sau đó hệ thống vặn nắp sẽ từ từ được nâng lên và băng chuyền 3 sẽ hoạt động trở lại để đưa chai tới băng chuyền 4. Bộ phận tay máy đóng hộp : Gồm băng tải 4 và 5, tay máy, cảm biến Hình 4.5 : Bộ phận tay máy đóng hộp Khi băng chuyền 4 đưa chai đến vị tri cảm biến 4 thì tay máy sẽ kẹp lấy chai (tay máy lúc này đã chờ sẵn ở vị trí gắp chai). Chai sẽ không được gắp cho đến khi có thùng đi qua băng chuyền 5 và được cảm biến 5 xác nhận. Lúc đó băng chuyền 5 sẽ dừng lại và tay máy sẽ gắp chai đến đặt vào vị trí đầu tiên trong hộp (có tất cả 4 vị trí). Khi tay máy đã gắp đủ 4 chai thì băng chuyền 5 sẽ được set để tải hộp ra ngoài. Tay máy sẽ tự động quay về vị trí cố định ban đầu để chờ chai tiếp theo. Quá trình lại tiếp tục tuần tự các quá trình trên . 4.2 Hệ thống điều khiển động cơ 3 pha bằng biến tần (Station 2) Hệ thống gồm : Bộ điều khiển : 1 CPU S7-200/224, 1 module mở rộng Analog EM235, 1 module mạng Prifibus EM277. Biến tần ABB. Động cơ 3 pha. Cảm biến từ. Bo mạch điều khiển. Hoạt động của hệ thống : Việc điều khiển động cơ 3 pha thông qua biến tần và biến tần được điều khiển bởi bộ điều khiển qua bo mạch. PHẦN 2 : NỘI DUNG I.Thiết Lập Cấu Hình Giao Tiếp Mạng Profibus 1.1 Cấu hình phần cứng Ta thực hiện theo các bước sau: Gắn Card CP5611 vào rãnh PCI của máy tính Gắn module EM277 vào bộ điều khiển Cắm các Connector vào ngõ DP, bật công tắc đỏ trên Connector sang vị trí Off. Đặt địa chỉ truy cập cho các trạm : trên module EM277 ta xoay 2 núm X1 và X10 để thiết lập địa chỉ. Trong đề tài này ta thiết lập địa chỉ cho tram 1 (Hệ thống đóng nắp chai tự động) có địa chỉ 99, trạm 2 (Biến tần và động cơ 3 pha) có địa chỉ 01. 1.2 Cấu hình trên Step7 Ta thực hiện theo trình tự các bước sau: Khởi động phần mềm Step-Micro/Win, Click chuột vào Set PG/PC Interface. Lúc này một hộp thoại xuất hiện. Hình 1.1 : Hộp thoại chọn Card CP5611 Trong hộp thoại này ta chọn CP5611 (PROFIBUS) rồi click chuột vào Properties. Lúc này xuất hiện hộp thoại Propertues-CP5611 (PROFIBUS). Trong hộp thoại này ta thiết lập các thông số như sau: Ta check vào PG/PC is the only master on the bus Address chọn 2 (mặc định là 0). Không được chọn trùm với địa chỉ của các trạm mà ta đã cài đặt trước. Time out chọn 1s Transmision rate chọn là 1.5 Mbps (tốc độ truyền cao nhất). Highest station address chọn 126. Profile chọn Universal (DP/FMS) Sau khi thiết lập xong ta chọn OK. Hình 1.2 : Hộp thoại thiết lập cấu hình cho Card CP5611 Tiếp tục chọn OK trong hộp thoại Set PG/PC Interface. Như vậy việc thiết lập cấu hình mạng Profibus qua Card CP5611 đã hoàn tất. Đọc địa chỉ các trạm : Ta click chuột vào Communications, hộp thoại Communications xuất hiện Hình 1.3 : Hộp thoại Communications Trong hộp thoại này ta Double-click vào biểu tượng để đọc địa chỉ. Sau khi đọc chỉ xong thì hộp thoại xuất hiện như sau: Hình 1.4 : Địa chỉ các trạm Nạp chương trình cho các Slave : Để nạp chương trình cho từng Slave ta phải viết từng chương trình cho từng Slave. Sau đó tiến hành nạp cho từng Slave. Để nạp chương trình cho Slave nào ta click chuột vào biểu tượng CPU có địa chỉ trạm muốn nạp rồi chọn OK. Ví dụ nạp chương trình cho Slave có địa chỉ 1. Hình 1.5 : Chọn Slave có địa chỉ 1 để nạp chương trình II.Thiết Kế Giao Diện Scada Bằng Phần Mềm WinCC Vì trong WinCC không có sẵn Driver để liên kết với PLC S7-200, nên để có thể liên kết S7_200 với phần mềm Wincc ta phải tạo các biến liên kết trên phần mềm PC Access. 2.1 Tạo biến liên kết trong PC Access Trước tiên ta khởi động PC Access, vào File→New để tạo một File mới. Click chuột phải vào MicroWin(CP5611(PROFIBUS)) rồi chọn New PLC Lúc này hộp thoại PLC Properties xuất hiện. Trong mục Name ta đánh tên ABB ; mục Network Address chọn 1 rồi chọn OK. Làm như trên ta tạo thêm 1 NewPLC có tên DONGCHAI và có địa chỉ là 99 Lúc này ta đã thiết lập liên kết với 2 PLC trong PC Access như sau : Tạo các biến liên kết như sau :click chuột phải vào ABB chọn New→Item Tại đây ta đặt biến và vùng địa chỉ truy xuất Các biến và địa chỉ truy xuất cho trạm 1 (mô hình đóng chai) Các biến và địa chỉ truy xuất cho trạm 2 (mô hình biến tần và động cơ 3 pha) 2.2 Thiết kế giao diện Scada trên WinCC 2.2.1 Chọn biến liên kết với PLC Sau khi khởi động WinCC ta tạo 1 dự án có tên giaodien. Để liên kết với PLC ta phải chọn Driver , để chọn Driver ta làm như sau : click chuột phải vào Tag Management→Add New Driver Hộp thoại Add New Driver xuất hiện, trong hộp thoại này chọn OPC.chn rồi chọn Open Nhấp phải vào OPC Groups chọn System Parameter Hộp thoại OPC Item Manager xuất hiện. Trong hộp thoại này ta làm theo các bước như hình sau : Hộp thoại Filter Criteria chọn Next Hộp thoại S7200.OPC Server ta làm theo các bước sau : Khi click ADD thì hộp thoại Add tags xuất hiện. Chọn S7200_OPCServer → Finish. Đóng các hộp thoại này. 2.2.2 Thiết kế giao diện điều khiển Gồm 1 giao diện chính , 1 giao diện cho hệ thống biến tần điều khiển động cơ 3 pha, 1 giao diện chính cho hệ thống đóng nắp chai tự động và các giao diện phụ. Giao diện chính của chương trình : Đèn ALARM LIGHT là đèn báo hệ thống bị lỗi Khi nhấn OVER VIEW thì hiển thị màn hình thông tin. Khi nhấn CONVETOR thì hiển thị màn hình điều khiển trạm 1 (hệ thống đóng nắp chai). Khi nhấn INVERTER thì hiển thị màn hình điều khiển trạm 2 (biến tần điều khiển động cơ 3 pha). Khi nhấn EXIT RUNTIME thì xuất hiện textbox. Chọn Deactive thì thoát khỏi Runtime, nếu chọn Cancel thì trở về màn hình làm việc Khi nhấn EXIT WINCC thì xuất hiện textbox. Chọn OK thì thoát khỏi WinCC, nếu chọn Cancel thì trở về màn hình làm việc Khi nhấn nút ALARM LOGGING để xem bảng thông báo lỗi của hệ thống. Giao diện cho hệ thống đóng nắp chai tự động Giao diện chính Khi chọn RUN AUTO thì chuyển sang màn hình của chế độ hoạt động Auto. Khi chọn RUN MANUAL thì chuyển sang màn hình của chế độ hoạt động Manual. Khi nhấn nút RESET HT thì toàn bộ hệ thống sẽ được reset Giao diện cho chế độ RUN_AUTO Khi chọn START thì hệ thống hoạt động. Khi chọn STOP thì hệ thống ngưng hoạt động. Khi click vào thì trở về màn hình chính của hệ thống đóng nắp chai. Khi click vào thì chuyển sang màn hình của chế độ RUN MANUAL. Giao diện cho chế độ RUN_MANUAL Khi chọn KHAU 1 thì hiển thị màn hình điều khiển băng tải 1. Khi chọn KHAU 2 thì hiển thị màn hình điều khiển băng tải 2. Khi chọn KHAU 3 thì hiển thị màn hình điều khiển băng tải 3. Khi chọn KHAU 4 thì hiển thị màn hình điều khiển băng tải 4,5 và tay máy. Khi click vào thì trở về màn hình chính của hệ thống đóng nắp chai. Khi click vào thì chuyển sang màn hình của chế độ RUN AUTO. Giao diện cho hệ thống biến tần điều khiển động cơ 3 pha Khi nhấn Run thì động cơ hoạt động. Click chọn để đổi chiều quay của động cơ. Click chọn để chọn chế độ điều khiển cho biến tần. Click chọn để chọn chế độ điều khiển. Chọn FRE AUTO thì điều khiển tốc độ bằng thanh điều khiển sau Nếu chọn Speed 1 ,2,3 thì động cơ hoạt động cới tốc độ được cài đặt trước trên biến tần. Motor Trendcontrol là đồ thị biểu diễn tốc độ của động cơ. Giao diện ALARM LOGGING Khi có sự cố xảy ra thì sẽ thông báo sự cố trên bảng. Lập trình cho các đối tượng của giao diện Trong phần này sẽ trình bày cách lập trình cho các giao diện bằng 2 ngôn ngữ chính là C và VB. Đổi màu cho các đối tượng Vào Properties→Effects→Global Color Scheme→Satatic→chọn No. Các nút Button Ví dụ :nút Vào Properties→Events→Mouse→Mouse Action→C Tạo hiệu ứng cho băng tải Vào Properties→Control Properties→SymbolAppearance→Dynamic Dialog… Vào Properties→Control Properties→BlinkMode→Dynamic Dialog… Trong Standard Cycle chọn Upon Change Tạo hiệu ứng cho Đối với (1) để thay đổi tọa độ ta vào Properties→Geometry→Position Y→ Dynamic Dialog…và thay đổi chiều cao ta vào Properties→Geometry→Hight→ Dynamic Dialog… Tương tự cho (2) và (3) Tạo hiệu cho chai di chuyển Vào Properties→Geometry→Left→VBS-Action Tạo hiệu ứng cho nước dâng lên Vào Properties→Tag Assignment→Fill Level→Static chọn 0 và Dynamic Dialog… chịn như sau : Tạo hiệu ứng tốc độ động cơ Vào Properties→Control Properties→Value→Dynamic Dialog… Tạo biểu tượng thang tốc độ Trong Properties→Control Properties→Position→Dialog chọn tag DAT Trong Properties→Events→Object Events→Change→VBS-Action Tạo chức năng chọn tốc độ cho động cơ Để tạo 4 nút chọn ta vào Properties→Geometry→Number of Boxes→Static chọn 4 Để tạo tiêu đề cho từng nút chọn vào Properties→Font rồi trong mục Index chọn số Index (1,2,3,4) rồi đánh nội dung tiêu đề tương ứng cho Index đó trong mục Text. Vào Properties→Events→Mouse→Mouse Action→VBS-Action để lập trình cho thuộc tính này Code VB như sau : Sub OnClick(Byval Item) Dim a,b,c,msp Set a = HMIRuntime.Tags("PDI3") Set b = HMIRuntime.Tags("PDI4") Set msp = HMIRuntime.Tags("TOCDODAT") Set c = HMIRuntime.Tags("DAT") Select Case item.Process Case 1 a.Value = 0 a.Write b.Value = 0 b.Write msp.Value =0 msp.Write Case 2 a.Value = 1 a.Write b.Value = 0 b.Write msp.Value = 20 msp.Write Case 4 a.Value = 0 a.Write b.Value = 1 b.Write msp.Value = 30 msp.Write Case 8 a.Value = 1 a.Write b.Value = 1 b.Write msp.Value = 40 msp.Write End Select End Sub Tạo đồ thị hiển thị tốc độ Để lấy công cụ này ta vào Object Palette→Smart Object→Control rồi chọn WinCC Online Trend Control(Classic)→OK Sau đó vào Properties→Control Properties ta thay đổi các thuộc tính và chon tag liên kết Tạo Alarm logging Trên cửa sổ WinCCExplorer ta click chuột phải vào Alarm Logging chọn Open. Sau đó cài đặt các thông số cảnh báo ta có kết quả như sau : Ta tạo một Graphics Designer có tên ALARM LOGGING. Trong này ta vào Smart Objects→Control→lê ra màn hình thiết kế→chọn WinCC AlarmLogging→OK Click double chuột vào WinCC AlarmLogging thì xuất hiện hộp thoại Wincc AlarmLogging Properties. Tại mục Message Lists ta Add thêm cột thông báo vào bảng thì làm như sau : Kết quả sau khi Add thêm các cột thông báo III. Thiết Kế Và Thi Công Phần Cứng 3.1 Khối nguồn 3.2 Khối điều khiển tốc độ động cơ (PWM) và chọn chiều động cơ Phân tích mạch: (Xét Opamp lý tưởng) với A là hệ số khuếch đại của Opamp. A rất lớn Thay V14=V13 vào: Xét pt dòng điện tại nút 2: Khi ở mức cao (đo được ) Thay vào pt trên: 9,5V-5,3V=0,001(5,3V-V1)’ với là điều kiện đầu của V1 V1 giảm tuyến tính Đo được giá trị đỉnh của V1 là 6V,giá trị đáy của V1 là 4,7V Khoảng TG V1 giảm là: Khi ở mức thấp (đo được ) Thay vào pt trên: 0,5V-5,3V=0,001(5,3V-V1)’ với là điều kiện đầu của V1 V1 tăng tuyến tính Khoảng TG V1 tăng là: Suy ra dạng sóng của V1 là dạng sóng tam giác chu kỳ 0,58ms Điện áp từ chân 1 được đưa vào chân 10 so sánh với điện áp ở chân số 9 để cho ra sóng vuông ở chân 8. Điện áp ở chân 9 được điều chỉnh bằng biển trở, khi điện áp ở chân 9 thay đổi sẽ kéo theo độ rộng xung ở chân 8 thay đổi Điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp điều khiển độ rộng xung PWM bằng LM234 qua Fet IRF540 Đảo chiều động cơ dùng PLC đóng ngắt Relay Diode D56 dùng để dập dòng ngược khi động dùng hay chạy ngược.Chống nhiễu 3.3 Khối Step Motor Xung cấp cho step được lấy từ xung tốc độ cao của PLC và được cách ly qua OPTO, qua cầu phân áp cấp cho IC4013. Ban đầu khi chân số 2 ở mức cao, sẽ kích Fet Q2 dẫn, chân số 2 được nối với số 9 keo theo chân 13 lên mức cao, kích Fet Q3 dẫn. Chân 13 được nối với chân số 5 sẽ kéo theo chân số 1 lên mức cao kích Fet Q1 dẫn. Khi đó chân 2 ở mức thấp kéo theo chân 12 ở mức cao kích Fet Q4 dẫn. Vậy thứ tự dịch xung là Q2, Q3, Q1, Q4. 3.4 Khối van khí và đảo chiều van Tín hiệu điều khiển van khí từ PLC điều khiển qua OPTO cách ly với 12V Dùng RELAY đảo chiều để đảo chiều van khí 3.5 Khối công tắc hành trình Khi công tắc hành trình tích cực thì tín hiệu 24V từ công tắc hành trình qua Opto cách ly cấp tín hiệu cho PLC 3.6 Khối cảm biến Khi cảm biến phát hiện tín hiệu đưa ra mức thấp qua Opto cách ly đưa tín hiệu 24V cho PLC. 3.7 Khối cách ly giữa PLC và biến tần IV. Lưu Đồ Giải Thuật Cho Chương Trình Điều Khiển 4.1 Lưu đồ giải thuật cho trạm 1 (Mô hình đóng nắp chai tự động) Giải thuật cho chế độ RUN AUTO Giải thuật cho chế độ RUN MAMUAL Giải thuật cho chương trình BANG_TAI_1 Giải thuật cho chương trình BANG_TAI_2 Giải thuật cho chương trình BANG_TAI_3 Giải thuật cho chương trình BANG_TAI_4 Giải thuật cho chương trình BANG_TẢI_5 4.2 Lưu đồ giải thuật cho trạm 2 (Mô hình biến tần và động cơ 3 pha) PHẦN 3 : ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 3.1 Kết quả đạt được Thiết lập được cấu hình giao tiếp giữa PC và các trạm qua mạng Profibus bằng Card mạng CP5611. Điều khiển được mô hình đóng nắp chai tự động và mô hình điều khiển động cơ 3 pha bằng biến tần. Thiết kế giao diện Scada cho từng trạm. 3.2 Kết quả chưa đạt được Mô hình đóng nắp chai hoạt động chưa chính xác, còn nhiều trục trặc về phần cơ khí và Pittong. Chưa sử dụng hết chức năng của biến tần. Giao diện Scada chưa hoàn toàn đúng với mô hình vì tốc độ truyền của cáp chưa cao. 3.3 Hướng phát triển của đề tài Xây dựng hệ thống mạng nhiều Slave và Master qua mạng Profibus. Thiết kế Scada cho nhiều hệ thống một cách linh hoạt và chính xác nhất. PHẦN 4 : PHỤ LỤC 4.1 Chương trình PLC File ghi đĩa 4.2 Tài liệu tham khảo Mạng truyền thông công nghiệp _Hoàng Trung Sơn, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật. Tự động hóa trong công nghiệp với WinCC_TS.Trần Thu Hà, NXB Hồng Đức. Các Manual về mạng và Scada của Siemens. www.siemens.com Các trang web khác.