Luận văn Thiết kế hệ thống cân dùng PLC

ain gage cũng bị biến dạng. - Các strain gage được dùng để đo lực, đo momen xoắn của trục, đo biến dạng bề mặt của chi tiết cơ khí, đo ứng suất,…và được dùng để lắp mạch cầu Wheatstone để chế tạo ra các loadcell. 2.2.2 Mạch cầu Wheatstone - Loadcell hoạt động dựa trên nguyên l‎ý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Mạch cầu Wheatstone dùng để chuyển đổi sự thay đổi của điện trở (thay đổi điện trở của các strain gage) dưới tác dụng lực thành sự thay đổi của điện áp trên đường chéo của cầu. Hình 2. 3 Mạch cầu Wheatstone Trong sơ đồ trên , ta có: Nếu << thì biểu thức trên có thể viết lại như sau: [1] Nhận xét: Phương trình trên cho thấy sự biến đổi đơn vị điện trở của hai điện trở đối mặt nhau, hai điện trở sẽ là cộng nhau (bị giãn) trong khi tác động của hai điện trở kề bên nhau sẽ là trừ khử nhau (bị nén). Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính ổn định nhiệt của các mạch miếng đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt. Hình 2. 4 Cấu tạo bên trong loadcell và nguồn cấp [7] Hình 2. 5 Một số dạng loadcell [1] 2.2.3 Ứng dụng loadcell vào đề tài Qua nghiên cứu và khảo sát các loại Loadcell hiện đang có trên thị trường, và vào mục đích phù hợp với đề tài thiết kế hệ thống định lượng nên chúng em đã nghiên cứu và sử dụng loadcell dạng thanh vào đề tài, vì nó phù hợp theo thiết kế cơ khí và chịu tải trọng. Hình 2. 6 Loadcell UWE dạng thanh Bảng thông số kỹ thuật: Đặc tính kỹ thuật Giá trị Đơn vị Tải trọng 0,22 - 6 kg Bảo vệ quá tải 9 kg Điện áp ngõ ra 2 mV/V Điện áp kích thích 10 - 12 VDC Điện áp kích thích tối đa 15 VDC Mức tuyến tính 0.02 %FSO Điện trở vào 41010 Ohms Điện trở ra 3503 Ohms Dãy nhiệt độ hoạt động - 20 to + 60 0C Cấp bảo vệ IP66 (Nguồn: www.canvietnhat.com) Bảng 2. 1 Thông số Loadcell UWE 2.3 BỘ KHUẾCH ĐẠI LOADCELL CHUẨN CÔNG NGHIỆP (Nguồn: www.candaithanh.com) Hình 2. 7 Bộ khuếch đại loadcell MKcells KM02A - Trong thực tế và trong sản xuất công nghiệp nếu liên quan đến định lượng dùng loadcell thì thiết bị thường đi kèm là bộ khuếch đại chuẩn cho loadcell. Hoặc có thể sử dụng bộ đầu cân chuẩn có tích hợp bộ khuếch đại cho loadcell, thông thường giá của bộ đầu cân rất đắt tiền, nếu có ngõ ra analog thường giá rất cao, thích hợp dùng cho công nghiệp như: đầu cân MP30, XK3190-A9, FS1200a, FS8000a,... - Bộ khuếch đại loadcell thường có 2 loại: khuếch đại cho ra dòng hoặc áp, và loại chỉ cho ra áp như MKcells KM02, KM02A,... - Thông số kỹ thuật bộ khuếch đại MKcells loại KM02A Thông số Giá trị Dãy đầu vào 0-1mV/V, 0-2mV/V, 0-3mV/V, 0-4mV/V, 0-10mV/V, 0-20mV/V, 0-30mV/V, 0-40mV/V. Dãy tín hiệu đầu ra 0-5V, 0-10V, 1-5V Điện áp nguồn nuôi 12 – 24 VDC Điện áp nguồn nuôi loadcell (Nguồn: www.candaithanh.com) 10VDC, 100mA Bảng 2. 2 Thông số kỹ thuật KM02A 2.4 MODUL MỞ RỘNG ANALOG EM231 2.4.1 Cấu tạo - Trong thực tế các modul analog được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy có dây chuyền sản xuất hiện đại, trong công nghiệp, trong các lĩnh vực điều khiển liên tục. Ví dụ như điều khiển biến tần, điều khiển lưu lượng, nhiệt độ, áp suất,…Trong đề tài này, chúng em ứng dụng modul analog EM 231 vào việc đo khối lượng, lấy tín hiệu khuếch đại từ Loadcell, biến đổi AD và truyền dữ liệu về CPU 224 xử l‎ý sau đó xuất kết quả lên giao diện WinCC. Hình 2. 8 Modul Analog EM231 [9] 2.4.2 Thông số kỹ thuật Hãng Siemen có rất nhiều loại modul analog mở rộng cho các loại PLC. Dòng EM 231 của S7 200 có rất nhiều loại như: EM 231 TC, EM 231 RTC, EM 231. - Trong các loại trên thì mỗi modul được ứng dụng vào việc thiết kế riêng như modul EM231 TC là modul chuyên dùng để đọc nhiệt độ từ thermocouple, EM231 RTC modul chuyên dùng đoc nhiệt độ từ các cảm biến mà đầu ra của nó là điện trở, EM231 là modul đọc các tính hiệu analog nói chung có độ phân giải 12 bit. - Thông số kỹ thuật modul EM 231 Bảng 2. 3 Thông số modul Analog EM 231 và EM 235 [9] - Đối với modul analog EM231 có thể nhận tính hiệu analog là dòng hoặc áp. Dạng dữ liệu sau khi chuyển đổi từ tính hiệu analog sang digtal từ -32000 đến +32000 hoặc từ 0 đến 32000, tất cả các thông số này có thể lựa chọn tùy thuộc vào yêu cầu của mỗi cảm biến và người dùng muốn cài đặt [8]. Hình 2. 9 Các switch cho phép cấu hình modul EM231 [9] Hình 2. 10 Cấu trúc dữ liệu của word ngõ vào [9] Bảng 2. 4 Bảng cấu hình modul EM 231 [9] 2.5 GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC LẬP TRÌNH 2.5.1 Khái niệm chung PLC là chữ viết tắt của từ Programmable Logic Control, là bộ điều khiển logic có thể lặp trình loại nhỏ của hãng Siemens (Cộng Hoà Liên Bang Đức). PLC S7 200 có cấu trúc kiểu module và có nhiều module mở rộng. Các module này được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Thành phần cơ bản của PLC S7 200 là khối vi xử l‎ý CPU. S7 200 có đến 7 module mở rộng, nếu dùng cho các ứng dụng cần đến việc tăng số ngõ vào/ra, ngõ vào/ra analog, kết nối mạng (AS –I, Profibus) [2]. Cổng mở rộng các ngõ vào ra của PLC Led ngõ ra của PLC Led ngõ vào của PLC Trạng thái hoạt động của PLC Tùy chọn mở rộng bộ nhớ hoặc RTC Cổng truyền thông nối tiếp Hình 2. 11 Hình dáng bên ngoài của PLC S7 200 [3] 2.5.2 Những đặc điểm của PLC PLC có những đặc điểm sau: - Thiết bị chống nhiễu tốt - Kết nối thêm các modul để mở rộng ngõ vào/ra. - Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu - Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển bằng máy lập trình hoặc máy tính - Độ tin cậy cao, kích thước gọn nhỏ - Bảo trì dễ dàng 2.5.3 Phân loại PLC S7 200 Việc phân loại S7 200 dựa vào loại CPU mà nó được trang bị. Các loại PLC thông dụng như CPU 222, CPU 224, CPU 224XP (có 2 cổng giao tiếp), CPU 226 (có 2 cổng giao tiếp), CPU 226 XP. Thông thường S7 200 được phân ra làm hai loại chính dựa vào nguồn điện áp cấp cho CPU hoạt động + Loại cấp điện áp 220 VAC: - Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC – 30VDC) - Ngõ ra: Relay - Ưu điểm: ngõ ra là relay do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp khác nhau. - Nhược điểm: Do ngõ ra là relay nên thời gian đáp ứng không được nhanh cho ứng dụng biến điệu độ rộng xung hoặc output tốc độ cao. + Loại cấp điện áp 24 VDC - Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24 VDC (15 VDC – 30 VDC) - Ngõ ra: Transistor - Ưu điểm: ngõ ra là transistor do đó có thể sử dụng ngõ ra này để biến điệu độ rộng xung, output tốc độ cao. - Nhược điểm: Do ngõ ra là transistor nên chỉ có thể sử dụng một cấp điện áp duy nhất là 24 VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng có cấp điện áp ra khác nhau. Trong trường hợp này phải thông qua một relay đệm 24 VDC. Sau đây là bảng cung cấp cho chúng ta các thông số của các loại CPU của S7 200 Đặc điểm CPU 221 CPU 222 CPU 224 CPU 226 Kích thước (mm) 90x80x62 90x80x62 120,5x80x62 190x80x62 Bộ nhớ ROM 2048 Words 2048 Words 4096 Words 4096 Words Bộ nhớ RAM 1024 Word 1024 Word 2056 Word 2056 Word Số cổng logic vào 6 8 14 24 Số cổng logic ra 4 6 10 16 Module mở rộng Không 2 7 7 Digital I/O cực đại 128/128 128/128 128/128 128/128 AnalogI/O cực đại Không 16 In/16 Out 32 In/32 Out 32 In/32 Out Bộ đếm 256 256 256 256 Bộ định thời 256 256 256 256 Tốc độ xử lý lệnh 0,37 0,37 0,37 0,37 Khả năng lưu trữ khi mất điện 50 giờ 50 giờ 190 giờ 190 giờ Cổng giao tiếp 1 – RS 485 1- RS 485 1- RS 485 2 – RS 485 Bảng 2. 5 Thông số của các loại CPU dòng S7 200 [2] 2.5.4 Chức năng hình dạng bên ngoài PLC S7 200 CPU 224 CPU 224 có 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, có khả năng kết nối thêm 7 modul mở rộng - Các đèn báo trên S7 200 CPU 224 (Hình 2.11) + SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị lỗi. + RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN, chỉ PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình đã nạp vào máy. + STOP (đèn vàng): Đèn vàng STOP, chỉ PLC đang ở chế độ dừng chương trình và đang thực hiện lại. - Đèn cổng vào ra + Ix.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào báo hiệu trạng thái tức thời của cổng. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của công tắc. + Qx.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qx.x. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng. 2.5.5 Cấu trúc bên trong Cũng như các loại PLC tiêu biểu khác, PLC S7 200 gồm có 4 bộ phận cơ bản: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện nhập/xuất. - Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất. - Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24 VDC) cần thiết cho bộ vi xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất. Bộ xử lý ( CPU) Bộ nguồn công suất Giao diện nhập Giao diện xuất Bộ nhớ Thiết bị điều khiển Thiết bị lập trình PLC Sensors SW Hình 2. 12 Sơ đồ khối hệ thống PLC S7 200 [2] - Bộ nhớ là nơi lưu chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển, dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý. - Các thành phần giao diện nhập/xuất là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển. Tín hiệu nhập có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến, nút ấn,...Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van solenoid, bơm, đèn, chuông,... 2.5.6 Đặc điểm ngõ vào ra của PLC S7 200 1. Đặc điểm ngõ vào - Mức logic 1: 24 VDC / 7mA - Mức logic 0: 0 – 5 VDC / 1mA - Đáp ứng thời gian: 0,2 ms - Địa chỉ ngõ vào: Ix.x 2. Đặc điểm ngõ ra - Ngõ ra relay - Điện áp tác động: 24 – 28 VDC/2A - Chịu quá dòng đến 7A - Điện trở cách ly nhỏ nhất là : 100Mega Ohm - Điện trở công tắc là: 200 mili Ohm - Thời gian chuyển mạch tối đa: 10 ms - Địa chỉ ngõ ra: Qx.x - Không có chế độ bảo vệ ngắn mạch 3. Nguồn cung cấp - Điện áp nguồn 24VDC - Dòng tối đa 900 mA - Thời gian duy trì khi mất nguồn là 10ms - Cầu chì bên trong 2A / 250V Hình 2. 13 Sơ đồ I/O của CPU 224 với nguồn cấp là 24VDC [2] 2.5.7 Cáp truyền thông PLC S7 200 và PC hoạt động, trao đổi dữ liệu qua cáp PC/PPI Hình 2. 14 Cáp PC/PPI kết nối RS232 và RS485 [3] 2.5.8 Thực hiện chương trình - PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đếm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh kết thúc (END). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đếm ảo tới các cổng ra. 1. Nhập dữ liệu từ ngoại Vi vào bộ nhớ ảo 2. Thực hiện chương trình 3. Truyền thông và tự kiểm tra lỗi 4. Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi Hình 2. 15 Vòng quét trong PLC S7 200 - Như vậy tại thời điểm vào/ra thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 4 do CPU quản lý. Khi gặp lệnh vào/ra thì hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào/ra [2]. 2.5.9 Phần mềm lặp trình của PLC S7 200 - STEP7 MicroWin chạy trên hệ điều hành Windows, phần mềm này làm nhiệm vụ trung gian giữa người lặp trình và PLC. Có 3 khối lập trình chính: khối chương trình (Program Block), khối dữ liệu (Data Block) và khối hệ thống (System Block). Ngoài ra PLC S7 200 còn 4 khối lập trình phụ là: khối định nghĩa các ký hiệu (Symbol table), khối xem trạng thái các biến (Status chart), khối tham chiếu (Cross Reference) và khối truyền thông (Communication) [3]. - Trong STEP7 MicroWin có 3 cách soạn thảo một chương trình: soạn thảo chương trình dưới dạng thang (Ladder), dạng câu lệnh STL (Statement list) và sơ đồ khối FBD (Function Block Diagram). Trong 3 cách soạn thảo trên, soạn thảo chương trình bằng ladder là thông dụng nhất vì cho phép người lập trình quan sát được chương trình đang chạy một cách trực quan, việc chuyển đổi từ dạng soạn thảo này sang dạng soạn thảo khác một cách dễ dàng. - Cấu trúc chương trình gồm: chương trình chính (Main program), chương trình con (Subroutine) và chương trình con phục vụ ngắt (Interrupt). + Ngôn ngữ lập trình Ladder Ladder là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa. Những thành phần cơ bản dùng trong Ladder tương ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơle - Các lệnh về Bit: + Load (LD): tiếp điểm thường hở NO. Lệnh Load được dùng khi một tín hiệu vào cần hiện hữu để output ON. Chương trình thí dụ: khi I0.0 ON thì Q0.0 ON. Hình 2. 16 Mô tả lệnh Load + Load Not (LDN): tiếp điểm thường đóng NC. Lệnh LOAD NOT được dùng khi tín hiệu vào không cần hiện hữu vẫn làm output ON. Chương trình thí dụ: khi I0.0 OFF thì Q0.0 ON. Hình 2. 17 Mô tả lệnh Load Not + And (A): lệnh đấu nối tiếp một tiếp điểm NC. Chương trình thí dụ: khi I0.0 ON, I0.1 OFF thì ngõ ra Q0.0 ON. Nếu I0.0 và I0.1 đều OFF thì ngõ ra Q0.0 sẽ OFF. Hình 2. 18 Mô tả lệnh đấu nối tiếp + Or (O): lệnh đấu song song một tiếp điểm NO. Chương trình thí dụ: khi I0.0 và M0.0 đều ON thì ngõ ra sẽ ON, nếu một trong hai tiếp điểm ON thì ngõ ra ON, nếu cả hai đều OFF thì ngõ ra sẽ OFF. Hình 2. 19 Mô tả lệnh đấu song song + Set – Reset (S - R): SET (Một khi điều kiện ON, hàm này sẽ giữ tiếp điểm ở ngõ ra trạng thái ON cho dù điều kiện vào có OFF). RESET (Một khi điều kiện vào ON, hàm sẽ giữ trạng thái OFF cho dù điều kiện vào có ON). Hình 2. 20 Mô tả lệnh Set và Reset + Và còn nhiều lệnh về bít khác (Xem thêm phần phụ lục). - Các lệnh về Timer: Có chức năng tương tự như các rơle thời gian, PLC S7-200 có 3 loại timer: TON (Timer ON Delay), TOFF (Timer OFF Delay) và TONR (Timer ON Delay có nhớ). Và còn nhiều lệnh timer khác. + Timer ON Delay: lệnh đếm thời gian khi ngõ vào cho phép ON, bit của Timer ON khi giá trị hiện tại lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước (PT) và bit OFF khi ngõ vào OFF hoặc gặp lệnh Reset. Hình 2. 21 Mô tả lệnh TON + Timer OFF Delay: lệnh đếm thời gian giống như Timer ON Delay, nhưng khác ở chỗ bit của lệnh sẽ ON ngay lặp tức khi ngõ vào cho phép ON, khi ngõ vào cho phép OFF thì sau khoảng thời gian đặt trước timer sẽ OFF. Hình 2. 22 Mô tả lệnh Timer Off delay + Timer ON có nhớ (TONR): nguyên tắc hoạt động giống như Timer ON delay, nhưng khác nhau ở chỗ giá trị đặt của timer có thể được giữ mặc dù ngõ vào cho phép đã OFF. Hình 2. 23 Mô tả lệnh Timer ON có nhớ - Giá trị độ phân giải Timer Độ phân giải(ms) Giá trị đếm cực đại (s) Số hiệu Timer TONR 1 32.767 T0,T64 10 327.67 T1 - T4, T65 – T68 100 3276.7 T5 – T31, T69 – T95 TON, TOFF 1 32.767 T32, T96 10 327.67 T33 – T36, T97 – T100 100 3276.7 T37 – T63, T101 –T255 Bảng 2. 6 Các loại Timer và độ phân giải tương ứng [3] - Các lệnh điều khiển Counter: Counter là bộ đếm hiện chức năng đếm sườn xung trong S7-200. Các bộ đếm của S7-200 được chia làm 3 loại: Bộ đếm lên (CTU), bộ đếm xuống (CTD) và bộ đếm lên/xuống (CTUD). Và còn nhiều lệnh đếm khác + Bộ đếm lên CTU: đếm số sườn lên của tín hiệu logic đầu vào, tức là đếm số lần thay đổi trạng thái logic từ 0 lên 1 của tín hiệu. Số sườn xung đếm được, được ghi vào thanh ghi 2 byte của bộ đếm. Hình 2. 24 Lệnh đếm lên được trình bày dưới dạng Ladder + Bộ đếm xuống CTD: nguyên tắc hoạt động giống như lệnh đếm lên nhưng đếm số xung xuống ở giá trị đặt trước đến khi bằng 0 thì bit của số hiệu sẽ chuyển trạng thái từ OFF lên ON. Nếu ngõ vào LD lên mức 1 thì bộ đếm sẽ load giá trị đặt trước và không thể đếm được. Hình 2. 25 Lệnh đếm xuống được trình bày dưới dạng Ladder + Bộ đếm lên/xuống CTUD: đếm lên khi gặp sườn lên của xung vào, ký hiệu là CU và đếm xuống khi gặp sườn lên của xung vào cổng đếm xuống, ký hiệu là CD. Đầu vào Reset đặt lại trạng thái đầu của bộ đếm. Hình 2. 26 Lệnh đếm lên xuống - Lệnh gọi chương trình con và lệnh nhảy: + Chương trình con (Subroutine) là tập hợp một số lệnh để thực hiện một công việc nào đó, chương trình con được thực thi khi và chỉ khi có chương trình khác gọi nó. Có thể là chương trình chính hoặc từ một chương trình con khác. Hình 2. 27 Mô tả lệnh gọi chương trình con + Lệnh nhảy (Jumper): Khi ngõ vào cho phép chương trình sẽ thực hiện lệnh nhảy, sẽ nhảy tới nhãn tương ứng, khi đó đoạn chương trình ở giữa lệnh nhảy và nhãn sẽ được bỏ qua ở chu kỳ đó. Ký hiệu của nhãn nhảy phải là một số nguyên n. Hình 2. 28 Mô tả lệnh nhảy - Các lệnh so sánh (Compare): Lệnh so sánh số học, so sánh hai byte, so sánh 2 số nguyên đơn hoặc số nguyên kép, so sánh 2 số thực,…Khi IN1 và IN2 thỏa điều kiện so sánh trước đó thì tiếp điểm ngõ ra sẽ kín mạch. + IN1 >= IN2 so sánh lớn hơn hoặc bằng + IN1 <= IN2 so sánh nhỏ hơn hoặc bằng + IN1 > IN2 so sánh lớn hơn + IN1 < IN2 so sánh nhỏ hơn + IN1 IN2 so sánh khác - Các lệnh di chuyển (Move): Trong S7-200 có các hàm Move sau: + Move_B: di chuyển các giá trị cho nhau trong giới hạn 1 Byte + Move_W: di chuyển các giá trị nguyên cho nhau trong giới hạn 1 Word + Move_DW: di chuyển các giá trị nguyên cho nhau trong giới hạn 1 Dword + Move_R: di chuyển các giá trị thực cho nhau trong giới hạn 1 Dint - Các lệnh số học (Integer Math, Floating-Point Math): + Lệnh ADD_I: cộng 2 số nguyên 16 bit + Lệnh SUBB_I: trừ 2 số nguyên 16 bit + Lệnh Mul_I, DIV_I: nhân, chia 2 số nguyên 16 bit Tương tự ta có các lệnh đối với số thực, số nguyên 32 bit - Các hàm chuyển đổi + B_I: Đổi từ Byte sang Int và ngược lại + I_DI: Đổi từ số nguyên 16 bit sang số nguyên 32 bit và ngược lại + DI_R: Đổi số nguyên 32 bit sang số thực + BCD_I: Đổi số BCD 16 bit sang số nguyên 16 bit và ngược lại - Trong trường hợp việc đổi từ số dung lượng nhỏ sang dung lượng lớn hơn (như từ Byte sang Int, từ Int sang Dint,...) thì chương trình luôn thực thi. - Còn trường hợp ngược lại: Nếu giá trị chuyển bị tràn ô nhớ thì chương trình sẽ không thực thi và Bit tràn SM1.1 sẽ bật lên 1. + Phương pháp lập trình điều khiển - Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển có lập trình, cấu trúc của bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình. - Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần thay đổi nội dung bộ nhớ điều khiển, không cần thay đổi cách đấu dây bên ngoài, đó là ưu điểm của phương pháp điều khiển lập trình được so với phương pháp điều khiển đấu cứng. Do đó, phương pháp này rất mềm dẻo được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển trong công nghiệp. - Phương pháp điều khiển lập trình thực hiên theo các bước sau Xác định thật kỹ yêu cầu công nghệ Liệt kê số đầu vào/ra cho PLC Thiết kế giải thuật (Lập lưu đồ cho PLC thực hiện) Viết chương trình điều khiển Nạp chương trình vào bộ nhớ Kiểm tra phần cứng cách đấu dây với thiết bị Chạy thử - Kiểm tra Hình 2. 29 Các bước điều khiển chương trình 2.6 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM WINCC 6.0 SP2 2.6.1 Các đặc điểm chính của WinCC - WinCC (Windows Control Center) là một phần mềm của hãng Siemens dùng để điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất. Theo nghĩa hẹp WinCC là chương trình hỗ trợ cho người lập trình thiết kế các giao diện Người và Máy – HMI (Human Machine Interface) trong hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), với các chức năng chính là thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất. Những thành phần trong WinCC dễ sử dụng, giúp người dùng tích hợp những ứng dụng mới hoặc có sẵn mà không gặp bất kỳ trở ngại nào [5]. - WinCC cung cấp các modul chức năng thường dùng trong công nghiệp như: hiển thị hình ảnh, tạo thông điệp, lưu trữ và báo cáo. - Với WinCC, người dùng có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với nhiều PLC của các hãng khác như Misubishi, Allen Braddly, Siemens,...thông qua cổng COM với chuẩn RS232 của máy tính với chuẩn RS485 của PLC . - WinCC được ứng dụng phổ biến nhất là tự động quá trình điều khiển và giám sát quá trình sản xuất. Khi một hệ thống dùng chương trình WinCC để điều khiển và thu thập dữ liệu từ quá trình, nó có thể mô phỏng bằng hình ảnh các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng các chuỗi các sự kiện. - WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị, thông báo bằng đồ họa, xử lý thông tin đo lường, các tham số công thức, các bảng ghi báo cáo,...đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày một phát triển và là một trong những chương trình ứng dụng trong thiết kế giao diện Người và Máy (HMI)[4]. 2.6.2 Các chức năng chính của WinCC + Graphics Designer (Bộ thiết kế đồ họa): Thực hiện dễ dàng các chức năng mô phỏng và hoạt động qua các đối tượng đồ họa của chương trình WinCC với nhiều thuộc tính động. + Alarm Logging (Cảnh báo): thực hiện việc hiển thị các thông báo hay các báo cáo trong khi hệ thống vận hành. Đảm trách các thông báo nhận được và lưu trữ. Nó chứa các chức năng để nhận các thông báo từ các quá trình, để chuẩn bị, hiển thị, hỏi đáp và lưu trữ chúng. Ngoài ra chức năng Alarm Logging còn giúp chúng ta tìm ra nguyên nhân của lỗi. + Tag Logging (Đồ thị): Thu thập, lưu trữ và nén các giá trị đo dưới dạng khác nhau. Tag Logging cho phép lấy dữ liệu từ các quá trình thực thi, chuẩn bị để hiển thị và lưu trữ các dữ liệu đó. Dữ liệu có thể cung cấp các tiêu chuẩn về công nghệ và kỹ thuật quan trọng liên quan đến trạng thái hoạt động của toàn hệ thống. + Report Designer (Báo cáo): Có nhiệm vụ tạo các thông báo, báo cáo và các kết quả này được lưu dưới dạng các trang nhật ký sự kiện. + User Achivers (Lưu trữ dữ liệu): Cho phép người sử dụng lưu trữ dữ liệu từ chương trình ứng dụng và có khả năng trao đổi với các thiết bị tự động khác. Điều này có nghĩa các công thức, thông số trong chương trình WinCC có thể được soạn thảo, lưu giữ và sử dụng trong hệ thống. + Web Navigator: Hệ thống quản lý, điều khiển và giám sát thông qua Internet giúp người dùng có thể truy cập vào mạng hệ thống, có thể điều khiển hệ thông ở bất cứ nơi đâu. + WinCC sử dụng bộ công cụ thiết kế giao diện đồ họa mạnh như: Toolbox, các control,... được đặt dễ dàng trên giao diện thiết kế. Ngoài ra, để phục vụ cho công việc giám sát điều khiển tự động WinCC còn trang bị thêm nhiều tính năng mới mà các công cụ khác không có như: - Các control thông qua hệ thống quản trị dữ liệu có thể gắn với một biến theo dõi trạng thái của hệ thống điều khiển. Thông qua đó, tác động đến việc giám sát các trạng thái. - Thông qua hệ thống, thông điệp có thể thực hiện được những hành động tương ứng khi trạng thái thay đổi. - Trong WinCC, ngôn ngữ C-Sript được dùng để thao tác giúp cho việc xử lý các sự kiện phát triển một cách mềm dẻo và linh hoạt. WinCC tạo ra một giao diện Người-Máy (HMI) dựa trên cơ sở giao tiếp giữa con người với các hệ thống máy tính, thiết bị điều khiển (PLC) thông qua các hình ảnh, sơ đồ, hình vẽ hoặc câu chữ có tính trực quan hơn. Có thể giúp người vận hành theo dõi được quá trình làm việc, thay đổi các tham số, công thức, quá trình hoạt động, thể hiện các giá trị hiện thời cũng như giao tiếp với quá trình công nghệ thông qua các hệ thống tự động. Giao diện HMI cho phép người vận hành giám sát các qui trình sản xuất và cảnh báo, báo động hệ thống khi có sự cố. Do đó WinCC là chương trình thiết kế giao diện Người – Máy thật sự cần thiết, không thể thiếu trong các hệ thống có quá trình tự động hóa phức tạp và hiện đại [6]. CHƯƠNG III: THI CÔNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG Sơ đồ các bước thiết kế hệ thống: Xác định yêu cầu của hệ thống Vẽ sơ đồ chung cho hệ thống Thi công Phần cứng Phần mềm Cơ khí: Hàn, tiện, cắt nhôm Khí nén: Lựa chọn xylanh, van 5/2, bình khí Động cơ và mạch điều khiển Đấu dây cho PLC Viết chương trình điều khiển Nạp chương trình, kiểm tra Kết nối PLC và WinCC thông qua PC Acess Tạo giao diện và điều khiển trên WinCC Hình 3. 1 Các bước thiết kế mô hình định lượng Hình 3. 2 Sơ đồ điều khiển hệ thống 3.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 3.1.1 Đấu nối PLC S7-200 CPU224 với Modul Analog EM231 - Modul EM231 có 4 ngõ vào Analog RA, A+, A-, RB, B+, B-, RC, C+, C-, RD, D+, D-. Do đề tài chỉ sử dụng duy nhất 1 loacell nên nhóm chỉ sử dụng ngõ vào Analog RA, A+, A-. Cách đấu nối như sau: L+ và M của EM231 đấu trực tiếp từ nguồn 24VDC trên board thí nghiệm hoặc có thể lấy nguồn từ CPU 224 trên board thì nghiệm. Hình 3. 3 Sơ đồ đấu nối PLC, EM 231 và bộ khuếch đại Hình 3. 4 Sơ đồ đấu dây cho modul EM231 [9] - Kết nối port mở rộng (jack cắm cái) của EM231 vào port mở rộng của CPU 224 theo hình sau: Hình 3. 5 Kết nối CPU224 với modul EM231 [9] 3.1.2 Đấu nối Modul Analog EM231 với bộ khuếch đại MKcells, Loadcell với MKcells. + Loadcell có 4 dây: đỏ (Exc +), vàng (Exc-), xanh lá (Sig+), xanh dương (Sig-) + MKcells có 8 dây (Hình 3.6) gồm: 5 dây đấu nối với loadcell (từ 1 đến 5 gồm: Dây đỏ ký hiệu số 1 (Exc+) cấp nguồn dương cho loadcell, dây đen ký hiệu số 2 (Exc-) cấp nguồn âm cho loadcell, xanh lá ký hiệu số 3 (Sig+) lấy tín hiệu dương từ loadcell, trắng ký hiệu số 4 (Sig-) lấy tín hiệu âm từ loadcell và dây nối đất màu đen ký hiệu số 5 nối với dây nối đất của loadcell), 3 dây đấu nối với modul analog EM231 (từ 6 đến 8 gồm: Dây đỏ ký hiệu số 6 (Exc+) cấp nguồn dương 24VDC cho bộ khuếch đại, dây xanh lá ký hiệu số 7 (Sig+) tín hiệu ra dương của bộ khuếch đại, dây đen ký hiệu số 8 (Exc-) tín hiệu ra âm và cũng là dây nối mass chung với EM231). Ta đấu nối EM231 với MKcells như sau: 5 dây ra của Loadcell lần lượt đấu nối với 5 dây đầu vào của MKcell theo trình tự : Đỏ - đỏ, vàng – đen, xanh lá – xanh lá, xanh dương – trắng, dây mass nối chung. Sau đó 3 dây ra của MKcells nối với EM 231 theo trình tự: dây đỏ nối với nguồn 24VDC từ PLC hoặc nguồn L+ của EM231, dây đen nối với chân 0 vdc của nguồn cấp hoặc mass chung với EM231, dây xanh từ 0-10 VDC nối với A+ của EM231, RA thì vẫn nối với A+, còn A- thì nối với dây đen của MKcells. Như vậy dây đen của MKcells sẽ là dây tham chiếu chung cho nguồn cấp và tín hiệu A-. 1 6 Cổng truyền thông nối tiếp 7 Cổng truyền thông nối tiếp 4 Cổng truyền thông nối tiếp 2 Cổng truyền thông nối tiếp 8 Cổng truyền thông nối tiếp 4 5 Cổng truyền thông nối tiếp 3 Cổng truyền thông nối tiếp Hình 3. 6 Cách đấu dây bộ khuếch đại loadcell 3.1.3 Động cơ và mạch điều khiển động cơ - Do yêu cầu băng tải vận chuyển thùng chứa nguyên liệu sau khi cân ra ngoài, moment lớn, vận tốc nhỏ phù hợp khi ngắt điện dừng đúng vị trí và mang tải nặng dưới 5 kg nên nhóm chọn động cơ giảm tốc 24VDC qua 2 bộ giảm tốc bánh răng. Nhóm thiết kế mạch nguồn 12VDC 3A để cấp nguồn cho động cơ hoạt động. - Động cơ được truyền động qua băng tải nhờ truyền động xích, bánh xích lớn bắt chặt với động cơ, bánh xích nhỏ được truyền qua hai ổ bi, lắp đặt hai bánh xích như vậy làm tăng vận tốc băng tải, thiết kế hai ổ bi nhằm tránh hiện tượng dính trục quay khi trục quay bằng ren. - Trên PLC, động cơ được quy định bằng ngõ ra Q0.1 Hình 3. 7 Mạch nguồn 12 VDC 3A Trong sơ đồ mạch trên gồm có: Tên linh kiện Thông số Chức năng trong mạch 2 Domino 4 đầu nối Dùng để đấu nối dây với các thiết bị khác 1 Cầu diode Chỉnh lưu xoay chiều 12VAC từ biến thế sang điện áp 1 chiều 12VDC. 2 tụ phân cực 1000microFara-50V, 105độ C Lọc tín hiệu, ổn định điện thế ngõ vào ra 1 IC LM2576 12V – 3A Dùng để tạo nguồn áp 12VDC cho mạch 1 Diode xung 3A Ngăn dòng ngược 1 Cầu chì 1 A Bảo vệ thiết bị 1 Công tắc nguồn Đóng cắt mạch điện 1 điện trở 1K Hạn dòng qua led 1 Led 2V Hiển thị nguồn 1 Cuộn cảm 100mH Bảng 3. 1 Linh kiện dùng trong mạch nguồn 12VDC - Mạch nguồn 12VDC này có tác dụng tạo nguồn 12VDC cho Opto và Relay bên mạch điều khiển động cơ. - Mạch nguồn 12VDC dùng để tạo nguồn cho động cơ hoạt động, vì trong mô hình thiết kế cần vận tốc nhỏ, moment lớn. 3.1.4 Solenoid - Có nhiều phương án để đóng miệng cửa phiểu sau khi rót nguyên liệu, ở đây nhóm dùng khí nén vì lực đẩy mạnh, êm dịu. Loại van khí nén 5/2, 5 cửa 2 vị trí, cấp nguồn 24VDC lấy từ ngõ ra của PLC. - Ống dẫn khí loại 5mm, tổng chiều dài ống khoảng 3m, được đấu nối với co chữ T. - Nguồn khí được lấy từ 4 bình khí nhỏ làm từ vỏ chai nhựa coca có áp suất nhỏ - Trên các xylanh đều có gắn thêm van tiết lưu để điều chỉnh lưu lượng khí, có chức năng đóng mở chỉnh tinh khi cân. Hình 3. 8 Mạch kích động cơ từ ngõ ra PLC Tên linh kiện Thông số Chức năng trong mạch 2 Domino 4 đầu nối 1 Opto 24VDC Cách ly quang 1 Relay 12VDC Kích động cơ 1 BJT C1815 Loại NPN Đóng ngắt Relay 1 Diode Chống dòng ngược 1 Led Báo nguồn khi có ngõ ra PLC 2 điện trở, 1,5K và 10K 1,5K hạn dòng cho led, 10K phân cực cho BJT Bảng 3. 2 Cách linh kiện dùng trong mạch kích động cơ - Mạch này có tác dụng kích động cơ chạy khi có tín hiệu ra từ PLC. 3.1.4 Thiết kế mô hình cơ khí - Vật tư và tỉ lệ được làm trong mô hình lần lượt là sắt (70%), nhôm (20%), vật tư khác (10%). Mô hình cơ khí (xem hình 3.9): 3 2 6 5 4 7 Chú thích: 1: Phễu lớn, chứa liệu. 2: Phễu cân nhỏ. 3: Cảm biến 1 4: Đèn 2 5: Loadcell 6: Van khí nén 7: Đèn 1 1 Hình 3. 9 Hình chiếu đứng của phễu - Hình chiếu đứng của phễu cân. Mô hình gồm: Phần trên có phễu lớn để chứa nguyên liệu, nguyên liệu có thể lấy từ khuân vác hoặc dùng băng tải, gào tải. Phễu lớn chứa tối đa 15kg gạo, hoặc 10 kg đậu được đóng mở bằng 2 xylanh khí nén. Nếu phễu lớn hết nguyên liệu tới một mức đã cài đặt trước thì đèn sẽ sáng và đèn sẽ tắt khi phễu vẫn còn nguyên liệu thông qua cảm biến quang PNP loại thu phát chung, kích thước của phễu có ghi trên bản vẽ cơ khí kèm theo. 8 9 10 11 Chú thích: 8: Lá nhôm đóng miệng phễu lớn 9: Xylanh chỉnh tinh 10: Xylanh chỉnh thô 11: Xylanh đóng mở miệng phễu cân Hình 3. 10 Hình chiếu cạnh của phễu - Bên dưới phễu lớn là phễu nhỏ, phễu nhỏ được đặt hoàn toàn trên đầu một loadcell, có tác dụng để định lượng nguyên liệu từ phễu lớn đưa xuống, đến giá trị được cài đặt trên PLC thì miệng phễu lớn sẽ tự động đóng lại thông qua điều khiển xy lanh khí nén. 12 13 14 15 Chú thích: 12: Miếng nâng loadcell 13: Bệ đỡ loadcell 14: Bulong bắt chặt loadcell 15: Lá thiết Hình 3. 11 Hình chiếu bằng của phễu 4 7 1 2 3 5 6 8 Hình 3. 12 Hình chiếu đứng băng tải Chú thích: 1: Dây xích 2: Bánh xích bị động 3: Bánh xích chủ động 4: Động cơ DC 5: Trục lăn 2 6: Băng tải 7: Trục lăn 3 8: Cảm biến 1 9: Khung đỡ thùng 10: Khung băng tải 11: Mặt lót băng tải 12: Chốt tăng đưa 13: Ổ bi 14: Trục lăn 1 9 10 Hình 3. 13 Hình chiếu cạnh băng tải 12 13 14 11 Hình 3. 14 Hình chiếu bằng băng tải - Phần dưới là băng tải dùng để vận chuyển thùng chứa nguyên liệu sau khi cân ra ngoài, băng tải được chạy hoặc dừng lại thông qua cảm biến quang để phát hiện có thùng hay không, nếu dừng lại đèn sẽ sáng, và băng tải chạy khi đèn tắt. - Trong mô hình thiết kế, nhóm dùng 2 đèn Neon loại 220VAC-100W. Hình 3. 15 Bản vẽ mô hình cân định lượng 3.1.5 Cảm biến Hai cảm biến phát hiện vật sử dụng trong mô hình thiết kế là cảm biến quang loại thu phát chung, loại cảm biến này có thể phát hiện bất cứ vật nào trong tầm phát hiện của nó. Độ nhạy cao, dễ sử dụng, giá thành phù hợp, nguồn cấp 24VDC. Sau đây là thông số và cách đấu nối của từng loại cảm biến: + Cảm biến quang KEYENCE PZ2-41P (Nguồn: www.keyence.com) Hình 3. 16 Cảm biến quang PZ2-41P loại PNP Mô tả: Thông số kỹ thuật Giá trị Cảm biến quang điện loại phản xạ khuếch tán PZ2-41P Khoảng cách phát hiện vật 600 mm Nguồn sáng Led đỏ, có thể nhìn thấy được Chế độ hoạt động LIGHT ON/DARK ON Nguồn cấp 12 – 24 VDC +/- 10% Dòng tiêu thụ Max 35 mA Chế độ bảo vệ IP - 67 Nhiệt độ môi trường - 20 đến + 55oC Ngõ ra PNP Bảng 3. 3 Thông số cảm biến quang PZ2-41P loại PNP Cách đấu nối:(Nguồn: www.keyence.com) Hình 3. 17 Cách đấu dây cảm biến quang PZ2-41P + Cảm biến quang BYD30-DDT-T: (Nguồn: tienphat-automation.com) Hình 3. 18 Cảm biến quang BYD30-DDT-T loại NPN Mô tả: Thông số kỹ thuật Giá trị Cảm biến quang loại nhỏ Autonics BYD50-DDT-T loại phản xạ hội tụ Khoảng cách phát hiện vật 10 – 50 mm Nguồn sáng Led hồng ngoại Chế độ hoạt động Light On Nguồn cấp 12 – 24 VDC Ngõ ra NPN, NO Kết nối Cáp nối sẵn Chống phân cực ngược, bảo vệ ngắn mạch Bảng 3. 4 Thông số cảm biến quang BYD50-DDT-T loại NPN Cách đấu nối: (Nguồn: tienphat-automation.com) Hình 3. 19 Cách đấu dây cảm biến quang BYD30-DDT-T Do cảm biến quang BYD30-DDT-T có ngõ ra là NPN nên phải dùng Relay trung gian (Relay có nguồn như cảm biến) , lấy ngõ ra cảm biến đấu vào cuộn dây của Relay ,ngõ còn lại của cuộn dây nối V+ . Lấy tiếp điểm thường hở của Relay đưa vào PLC. 3.1.6 Van khí nén Trong mô hình luận văn sử dụng 3 van khí nén 5/2. Có tác dụng đóng mở miệng của 2 phiễu cân. Sau đây là đặc điểm của loại van trên: Van đảo chiều 5/2 tác động trực tiếp bằng dòng khí nén vào từ hai phía của nòng van, đây là loại van 5 cửa 2 vị trí. Hình 3. 20 Van đảo chiều 5/2 [8] + Van tiết lưu: Trong mô hình sử dụng 3 van tiết lưu, có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng dòng khí tức là điều chỉnh vận tốc hoặc thời gian chạy vào ra của pittong trong xylanh, mục đích nhóm sử dụng dùng để chỉnh thô và chỉnh tinh nguyên liệu khi cân. Nguyên lý làm việc của van tiết lưu là lưu lượng dòng khí qua van phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện. Hình 3. 21 Van tiết lưu [8] 3.2 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 3.2.1 Ý tưởng thiết kế chương trình: Trong giới hạn tải trọng cho phép của loadcell thì quan hệ giữa khối lượng và điện áp ngõ ra loadcell được xem như tuyến tính, và như vậy giá trị AD đọc về cũng tuyến tính theo khối lượng đặt lên trên loadcell. Dựa vào quan hệ này mà ta có thể viết chương trình cân chỉnh cho hệ thống cân theo quan hệ giữa khối lượng và giá trị AD đọc về. Hình 3. 22 Quan hệ giữa khối lượng và giá trị AD đọc về Ban đầu khi chưa để khối lượng lên phễu hoặc sau khi download chương trình điều khiển mới. Ta nhấn nút Calib trên màn hình điều khiển HMI ( địa chỉ của nút nhấn này là M0.3) để gọi chương trình cân. Sau đó ta nhấn nút Zero trên màn hình điều khiển (địa chỉ của nút nhấn này là M0.4) thì đọc giá trị AD về và lưu vào biến y1 sau khi ta đã trừ bì. Đây chính là giá trị AD ứng với khối lượng m1 của phễu cân đặt lên trên loadcell mà ta phải hiểu là 0 kg (do chưa có nguyên liệu). Tiếp theo đặt quả cân chuẩn có khối lượng M (kg) đã biết trước (ở đây nhóm dùng 2 quả cân chuẩn 1 kg và 0.5 kg) lên phễu cân rồi nhấn nút Span trên màn hình điều khiển (địa chỉ M0.5) để đọc giá trị AD ứng với trạng thái sử dụng quả chuẩn này và lưu vào biến y2 sau khi ta trừ bì. Để hệ thống cân hoạt động chính xác nên chọn khối lượng quả cân chuẩn càng gần với tầm hoạt động của cân càng tốt. Từ hai điểm có tọa độ đã biết trước ta có thể viết được phương trình đường thẳng đi qua hai điểm này. Như vậy dựa vào phương trình đường thẳng này thì ứng với mỗi giá trị AD đọc về ta đều có thể suy ra được khối lượng tính theo kg tương ứng theo công thức: (*) Trong đó: m: khối lượng hiện tại (kg). M: khối lượng chuẩn (kg). y: Giá trị AD trả về lúc m (kg). y1: Giá trị AD lúc m1 = 0kg. y2: Giá trị AD lúc M = 1.5kg. Để viết chương trình thì nhóm đã rút được kinh nghiệm: - Phân biệt các kiểu dữ liệu Word, DoubleWord,…để tránh sử dụng trùng địa chỉ. - Dùng các phép toán trên số thực để xử lý dữ liệu cân. 3.2.2 Lưu đồ chương trình điều khiển hệ thống - Lưu đồ chương trình cân: Bắt đầu Gọi chương trình cân ? Nút Zero tác động ? - Hiện giá trị AD lúc 0 kg (chỉ chứa khối lượng phễu). - Trừ bì, đưa giá trị AD về lúc 0kg - Lưu giá trị AD vào ô nhớ VD80 - Ghi giá trị y1 Nút Span tác động ? - Lưu giá trị AD của khối lượng chuẩn 1.5 kg vào ô nhớ VD200 - Hiện giá trị AD chứa khối lượng phễu. Đ S Đ S Đ S A1 - Hiện giá trị AD của quả cân chuẩn và khối lượng phễu. - Trừ bì, đưa giá trị AD về lúc tải trọng 1.5 kg - Lưu giá trị AD vào ô nhớ VD120 - Ghi giá trị y2 Có nguyên liệu cân ? - Hiện giá trị AD của khối lượng hiện tại. - Trừ bì, lưu giá trị AD vào ô nhớ VD490 - Ghi giá trị y - Thực hiện phép toán y – y1 - Lưu giá trị AD vào ô nhớ VD240 - Thực hiện phép toán y2 – y1 - Lưu giá trị AD vào ô nhớ VD160 - Thực hiện phép toán chia y – y1 / y2 – y1 - Lưu giá trị AD vào ô nhớ VD400 - Thực hiện phép toán nhân M x (y – y1 / y2 – y1) - Lưu giá trị AD vào ô nhớ VD500 Hiển thị khối lượng hiện tại A1 Đ S Hình 3. 23 Lưu đồ chương trình cân Giải thích lưu đồ chương trình cân: - Chương trình cân luôn thực thi ở tất cả các chu kỳ làm việc của PLC. Khi tiếp điểm M0.3 (tiếp điểm gọi chương trình cân) được tác động trên màn hình điều khiển HMI thì chương trình cân được thực hiện, PLC lưu giá trị AD của khối lượng chuẩn 1.5 kg vào ô nhớ VD200, đồng thời truy xuất giá trị AD từ ô nhớ AIW0 (kiểu dữ liệu Word) từ modul EM231 được lưu vào ô nhớ VW2, sau đó lần lượt dùng lệnh chuyển đổi chuyển giá trị trong ô nhớ VW2 thành VD4 (kiểu dữ liệu R). Lúc này trên màn hình HMI hiện giá trị AD chứa khối lượng phễu (khi chưa trừ bì). - Khi tiếp điểm M0.4 (tiếp điểm calib lúc 0 kg) được tác động. Khối lượng phễu được trừ bì và đưa giá trị AD về lúc 0kg được lưu vào ô nhớ VD80. Lúc này ta được giá trị y1 trong biểu thức (*). - Khi tiếp điểm M0.5 (tiếp điểm calib lúc 1.5kg) tác động, sau khi ta để hai quả cân chuẩn lên phễu cân. Khối lượng phễu được trừ bì và hiện thị giá trị AD về lúc tải trọng 1.5 kg. Lúc này PLC lưu giá trị AD này vào ô nhớ VD120, ta được giá trị của y2 trong biểu thức (*). - Sau khi calib cho hệ thống cân xong, lúc này ta cho nguyên liệu vào phễu chứa. Quá trình thực hiện cân theo phương trình (*) được diễn ra, PLC hiện giá trị AD của khối lượng hiện tại.Sau khi trừ bì, lưu giá trị AD của khối lượng hiện tại vào ô nhớ VD490 ta được giá trị y trong biểu thức (*). PLC bắt đầu thực hiện các phép toán trên số thực, thực hiện phép toán trừ (y – y1) ứng với ô nhớ (VD490 – VD80). Lưu giá trị AD này vào ô nhớ VD240. Sau đó thực hiện tiếp phép toán trừ (y2 – y1) tương ứng với ô nhớ (VD120 – VD80). Lưu kết quả của phép toán này vào ô nhớ VD160. Sau đó theo chu kỳ PLC thực hiện phép toán chia (y – y1 / y2 – y1) tương ứng với ô nhớ (VD240/VD160) lưu kết quả vào ô nhớ VD400. Sau đó lấy kết quả này nhân với ô nhớ chứa giá trị AD lúc 1.5kg là VD400 nhân với VD200 ta được kết quả của khối lượng nguyên liệu cần cân, hiện kết quả cân này trên màn hình điều khiển HMI (được thiết kế bằng phần mềm WinCC) kết quả này được lưu vào ô nhớ VD500. - Lưu đồ chương trình điều khiển hệ thống cân với tải trọng 2kg: Đ Đ S Đ Đ S Đủ mức 1 >= 1,0Kg? A B Đóng van cân 2 mức thô Đủ mức 2 >= 1,95Kg ? - Băng tải hoạt động - Khối lượng hiện tại = 0 - Tổng khối lượng = 0 - Sản lượng = 0 Mở 2 van cân Delay 3 giây S Nguyên liệu phễu lớn có chưa hay cảm biến 2 = 1 ? Đèn 2 sáng Gọi chương trình cân Calib chưa ? S Dừng băng tải Bắt đầu Đ S S A Đóng van cân 3 mức tinh - Băng tải dừng - Đèn 1 sáng - Mở van cân 1 Khối lượng hiện tại >= 0,03Kg? - Khối lượng hiện tại = 0 kg - Băng tải hoạt động - Van cân 1 đóng lại Đ B - Hiển thị khối lượng hiện tại (2kg) - Hiện tổng khối lượng (2kg x 1) - Số lượng thùng (+1) Cảm biến 1 phát hiện thùng hay cảm biến 1=1 ? Kết thúc Hình 3. 24 Lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống cân với tải trọng 2kg Giải thích lưu đồ chương trình điều khiển hệ thống cân: - Nếu chương trình mới sau khi Download thì phải Calib hệ thống cân lại lúc 0 kg và 1,5 kg nhằm đảm bảo cho hệ thống cân với kết quả chính xác nhất. - Nếu chương trình cũ đã calib rồi thì sau khi ta ấn nút Start, lúc này cảm biến 2 làm việc phát hiện nguyên liệu trên phiễu lớn có không, nếu không có nguyên liệu thì hệ thống băng tải không chạy, lúc này đèn 2 phát sáng, cho người quản lý biết để cấp nguyên liệu vào. Nếu trên phễu lớn đã có nguyên liệu thì đèn 2 tắt, băng tải hoạt động. Lúc này trên màn hình WinCC hiện khối lượng hiện tại là 0 kg, tổng khối lượng là 0 kg, số thùng là 0 thùng/giờ. - Delay sau 3 giây để cho hệ thống ổn định, van cân 2 và van cân 3 mở ra, lúc này thì chương trình bắt đầu cân lấy tín hiệu từ loadcell bắt đầu so sánh xem khối lượng hiện tại có thỏa điều kiện lớn hơn bằng 1 kg không, nếu không thì tiếp tục mở 2 van cân ra, nếu thỏa điều kiện thì đóng van cân 2 mức thô lại. - Sau đó tiếp tục xét điều kiện xem khối lượng hiện tại có lớn hơn bằng 1.95 kg không, nếu không thì tiếp tục mở van cân 2 thô ra nếu thỏa điều kiện thì van cân 3 chỉnh tinh đóng lại, lúc này hiện thị kết quả cân lên màn hình gồm khối lượng hiện tại, tổng khối lượng và sản lượng trên màn hình WinCC. Trong khi đó băng tải vẫn hoạt động bình thường. - Nếu trên băng tải có thùng và cảm biến 1 phát hiện, lúc này đèn 1 bật sáng, băng tải dừng lại, van 1 mở ra, nguyên liệu cân được cho vào thùng, đến giới hạn nào đó xem khói lượng nguyên liệu có còn lớn hơn bằng 0.03 kg nữa không, nếu vẫn còn lớn hơn thì van 1 vẫn tiếp tục mở ra, nếu khối lượng nhỏ hơn 0.03 kg thì van 1 đóng lại, lúc này khối lượng hiện tại trên màn hình là 0 kg, thông qua tiếp điểm trung gian van 1 kích động cơ hoạt động, băng tải truyền thùng ra ngoài, sau khi van 1 và cảm biến 1 chuyển trạng thái từ 1 xuống 0 thì chu trình cân được lặp lại. Tên Địa chỉ Ý nghĩa Start M0.0 Khởi động hệ thống Stop_1 M0.1 Ngừng hệ thống Dk_can M0.2 Tiếp điểm trung gian Calib M0.3 Calib hệ thống cân Zero M0.4 Calib lúc 0 kg Span M0.5 Calib lúc 1.5 kg Xathung M1.1 Khi nguyên liệu không đủ cân Reset M1.2 Reset lại hệ thống Cambien1 I0.0 Ngõ vào cảm biến 1 phát hiện thùng Cambien2 I0.1 Ngõ vào cảm biến 2 phát hiện nguyên liệu Bangtai Q0.1 Ngõ ra điều khiển băng tải Van1 Q0.2 Ngõ ra điều khiển van solenoid 1 Van2 Q0.3 Ngõ ra điều khiển van solenoid 2 Van3 Q0.5 Ngõ ra điều khiển van solenoid 3 Den1 Q0.7 Ngõ ra điều khiển đèn 1 phát hiện thùng Den2 Q1.0 Ngõ ra điều khiển đèn 2 phát hiện nguyên liệu Khoiluonghientai VD500 Khối lượng hiện tại Tongkhoiluong VD700 Tổng khối lượng Sanluong C0 Số lượng thùng 3.2.3 Quy ước các ngõ vào ra cho PLC Bảng 3. 5 Quy ước các ngõ vào ra cho PLC 3.2.3 Chương trình điều khiển PLC dạng ngôn ngữ Ladder Chương trình con 3.2.4 Thiết kế truyền dữ liệu PC – Access Khi ta khởi động phần mềm PC-Access thì chương trình giao diện như sau: Hình 3. 25 Màn hình giao diện PC Access Sau khi ta kết nối truyền dữ liệu được với S7-200 và cửa sổ các biến tag khai báo tương ứng: Hình 3. 26 Các biến đã khai báo hoàn chỉnh 3.2.5 Thiết kế giao diện và điều khiển giám sát bằng WinCC Sau khi đã tạo các Tag bên PC-Access, sau đó khởi động phần mềm WinCC lên. Hình 3. 27 Cửa sổ làm việc của WinCC Sau khi khởi động WinCC xong, ta tiến hành tạo liên kết giữa OPC server và OPC client bằng cách chọn driver hợp lý, do đề tài sử dụng PLC S7-200 nên chọn driver “OPC.chn”, Sau khi đã liên kết xong, cửa sổ hiện ra như sau: Hình 3. 28 Cửa sổ liên kết các Tag giữa PC Access với WinCC Bước tiếp theo, ta sử dụng các chức năng của WinCC để tạo giao diện thiết kế cho mô hình, nhóm sử dụng các chức năng như: Graphics Designer (tạo giao diện ảnh), Alarm Logging (cảnh báo), Tag Logging (đồ thị), Web Navigator (liên kết Ethernet), User Administrator (Bảo mật người dùng) và truy xuất dữ liệu từ WinCC ra Excel. Sau đó lần lượt liên kết giữa các tag với thuộc tính các đối tượng. - Để tạo ảnh giao diện ta vào phần Gaphics Designer chọn các ảnh tương ứng vẽ vào mô hình, ta được giao diện như sau: Hình 3. 29 Giao diện đồ họa hệ thống định lượng Để tạo các hiệu ứng cho các đối tượng ta vào thuộc tính properties tương ứng của từng đối tượng để thiết lập cho chúng, đối với các nút nhấn Button ta có thể lập trình ngôn ngữ C hoặc VB cho chúng khi có sự kiện được tác động. Đối với các số liệu sau khi cân được hiển thị trong các Static text ta thiết lập các thuộc tính I/O field cho chúng, bằng các trong thẻ properties chọn Output/Input chọn Output value và liên kết đến các tag tương ứng như khối lượng hiện tại, tổng khối lượng, sản lượng. Trên màn hình nhóm chọn sai số đến phần 1/1000. - Tạo Alarm Logging: Với ý tưởng thiết kế là giúp cho người vận hành biết được từng quy trình hoạt động của từng thiết bị trong hệ thống, lúc làm việc ổn định và khi gặp sự cố vấn đề gì đó thì người vận hành sẽ nhanh chóng phát hiện ra lỗi ngay ở bộ phận nào, từ đó có những cách xử lý thích hợp, đây là ứng dụng rất hay của WinCC. Khởi động của sổ Alarm Logging lên, màn hình hiển thị như sau: Hình 3. 30 Cửa sổ thiết lập cho Alarm Logging Các thiết bị được liên kết lần lượt đó là: băng tải, đèn 1, đèn 2, cảm biến 1, cảm biến 2, van solenoid 1, van solenoid 2, van solenoid 3, bằng cách đặt tên, vị trí lỗi và màu cho các alarm để người vận hành dễ theo dõi, màu đỏ khi có alarm xảy ra (Came in), khi không có alarm (màu xanh lá). Các màu khi có alarm xảy ra như sau: Hình 3. 31 Tùy chọn màu cho các Alarm - Tạo giao diện Tag Logging: Với ý tưởng là hiện giá trị của các biến trạng thái (các số liệu cân) sẽ được hiển thị trên đồ thị (Trend) . Từ giá trị này, người vận hành có thể đưa ra những phán đoán hay quyết định đúng đắn đối với qui trình sản xuất. Khởi động của sổ tag Logging, giao diện của cửa sổ hiện như sau: Hình 3. 32 Cửa sổ thiết lặp cho các biến trạng thái Tag Logging Ở đây nhóm thiết lập tag logging cho các biến khối lượng hiện tại, tổng khối lượng và sản lượng, để từ đó người vận hành biết được sự biến thiên của các giá trị trên. Các màu được gán tương ứng cho từng biến là màu đỏ (khối lượng hiện tại), màu xanh lá (tổng khối lượng) và màu tím (sản lượng). Hình 3. 33 Các màu tương ứng với các biến trạng thái Tag Logging - Tạo Web Navigator: Với mục đích là có thể cung cấp hình ảnh của giao diện hệ thống đang hoạt động cho người vận hành hoặc người nào đó đang đi công tác hay không có mặt trực tiếp ở hệ thống muốn biết về hệ thống hoạt động như thế nào, thì chức năng Web Navigator của WinCC sẽ đáp ứng được yêu cầu đó. Màn hình giao diện của Web Navigator như sau: Với một địa chỉ IP của máy tính, cùng mạng LAN thì người khác có thể truy cập cập vào để xem được quá trình. Hình 3. 34 Giao diện Web Navigator - Tạo User Administrator (Bảo mật người dùng) với chức năng này thì người vận hành có thể yên tâm đối với dữ liệu của hệ thống mình, bằng cách tạo một user và password. Cửa sổ thiết lập như sau: Hình 3. 35 Giao diện tạo bảo mật cho người dùng - Truy xuất dữ liệu cân ra Excel, chức năng của WinCC này rất hay vì nó có thể tạo một bảng dữ liệu để người vận hành có thể in ấn, tính toán hoặc thống kê số liệu, giúp ích rất nhiều cho các bộ phận khác trong nhà máy. Bằng cách ta sử dụng Add-ins trong Excel để tạo ra liên kết. Talamf theo các bước sau: Khởi động chương trình ứng dụng Microsoft Excel, vào công cụ Tool/Add-ins/OPC-clience chọn Browse. Sau đó ta chọn theo đường dẫn sau C:\Program Files\Siemens\S7-200 PC Access\Bin chọn OPCS7200ExcelAddin. Lúc này cửa sổ liên kết giữa WinCC với Excel như sau: Khi hệ thống hoạt động thì các dữ liệu sẽ được Excel tự động liên kết theo. Lưu ý: Để các chức năng của WinCC được hoạt động ở chế độ Active thì ta phải thiết lập chọn chế độ cho các chức năng, Màn hình lựa chọn chế độ các chức năng của WinCC như sau: Hình 3. 36 Truy xuất dữ liệu ra Excel - Để các chức năng của WinCC được hoạt động, thì bước tiếp theo ta phải tùy chọn chúng khi WinCC ở chế độ active, thể hiện trên hình sau: Hình 3. 37 Thiết lập chế độ hoạt động của chức năng WinCC CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 4.1.1 Phần cứng Sau hơn 3 tháng nghiên cứu và thiết kế, nhóm chúng em đã hoàn thành rất tốt về mặt phần cứng: mô hình, phần mạch, cách đấu nối. Ở đây chúng em thiết kế ở dạng mô hình nhưng nó có thể minh chứng khả năng ứng dụng trong thực tế. Mô hình cơ khí hoàn thành (Xem hình 4.1): Hình 4. 1 Mô hình cơ khí hoàn chỉnh của cân 4.1.2 Phần mềm - Phần mềm trên PLC được viết để thiết lập thông số ban đầu cho hệ thống cân và cân. Chương trình được giao tiếp với giao diện HMI. Phần mềm trên PLC kiểm chứng giải thuật cân chính xác với sai số 6g đạt được mục tiêu đề ra. - Giao diện HMI hiển thị các kết quả như khối lượng cần cân, tổng khối lượng trong một ca. Ngoài ra, giao diện cho phép thực hiện các chức năng như calib, hình chạy,… Hình 4. 2 Giao diện điều khiển hệ thống tự động Hình 4. 3 Giao diện Web Navigator Hình 4. 4 Truy suất dữ liệu ra Excel Hình 4. 5 Biểu đồ thể hiện các biến trạng thái Hình 4. 6 Thay đổi các biến trạng thái tag logging Hình 4. 7 Theo dõi Alarm logging 4.2 KIẾN NGHỊ 4.2.1 Giới hạn kết quả đề tài - Tuy kết quả cân chính xác với sai số 6g nhưng muốn để hệ thống đi vào ứng dụng trong thực tế thì cần bổ sung thêm một số thiết bị như hệ thống phải từ 2 Loadcell trở lên để lấy tín hiệu về một cách chính xác nhất. Vì trong mô hình nhóm chỉ sử dụng một loadcell cân với khối lượng là 2 kg nên ngoài thực tế hệ thống, cân với khối lượng lớn và nhiều, tăng tuổi thọ làm việc cho thiết bị. - Mô hình cơ khí chỉ đáp ứng cân với khối lượng 5kg, để cân với một khối lượng lớn và liên tục thì cần cải tiến bộ phận cơ khí cho hệ thống cân như băng tải, phễu. 4.2.2 Hướng phát triển - Để hệ thống hoạt động tự động hoàn toàn thì cần có bộ phận đóng bao, sắp xếp thành phẩm. - Ngoài ra, giao diện cho phép quản lý thông số của từng mẻ cân và lưu vào cơ sở dữ liệu. Dữ liệu này có thể tra cứu khi cần. Phần mềm cần cho phép thống kê, báo cáo và in ấn. Phụ lục Tập lệnh của S7 200 dạng Ladder: Lệnh so sánh Lệnh Logic với Bit Lệnh thời gian thực Các lệnh chuyển đổi Các lệnh đếm Các hàm toán học Các lệnh ngắt Các lệnh timer Các lệnh chuyển đổi Các lệnh toán học Các lệnh điều khiển chương trình Các lệnh về chuỗi Các lệnh dịch và quay Các lệnh về bảng Tài liệu tham khảo [1] Giáo trình Cảm biến và Ứng dụng, Bộ môn Tự động hóa – Khoa Công nghệ, Đại học Cần Thơ [2] Phạm Văn Tấn, Điều khiển Logic có thể lập trình, Đại học Cần Thơ, 2008 [3] Nguyễn Hoàng Dũng, Lập trình ứng dụng PLC S7 200, Đại học Cần Thơ, 2008 [4] Nguyễn Hoàng Dũng, Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu dùng WinCC, Đại học Cần Thơ, 2009 [5] Trần Thu Hà - Phạm Quang Huy, Giao diện Người – Máy HMI lập trình với S7 200 và WinCC, Nhà xuất bản Hồng Đức. [6] Luận văn tốt nghiệp Đại học, Điều khiển và giám sát trạm trộn Bê tông với S7 200 và WinCC, Đại học Cần Thơ, 2009 [7] [8] [9]