Thiết kế và thi công mô hình trạm trộn bê tông dùng PLC S7 300 và mô phỏng trên WinCC

chất lượng cao với mác xi măng cao hơn chất lượng thấp với mác xi măng thấp hơn. Cần có các bảng biểu về số liệu bê tông sẵn sàng, chính xác để sử dụng khi máy tính truyền số liệu bị hỏng đảm bảo trạm trộn có thể hoạt động được liên tục. Theo qui chuẩn xây dựng, sai số cho phép khi định lượng vật liệu không vượt quá ±1% (theo trọng lượng) đối với nước và xi măng; không quá ±2% (theo trọng lượng) đối với cát vàđá dăm hoặc sỏi. Để đáp ứng được yêu cầu trên đòi hỏi công nghệ và thiết bị hiện đại với hệ số tin cậy rất cao. Vì vậy, hoạt động của hệ thống định lượng vật liệu quyết định chất lượng của bê tông thành phẩm. Đặt các cảm biến trọng lượng tại các vị trí thích hợp để thu được đúng giá trị trọng lượng nguyên liệu, hạn chế tối đa sai số cho cả hệ thống. Kết hợp bộ điều khiển khả lập trình PLC và máy tính PC để điều khiển toàn bộ quá trình công nghệ sản xuất bê tông tươi thương phẩm. Từ yêu cầu của công nghệ trạm trộn ta nhận thấy có thể chia hoạt động của trạm trộn thành 3 phần riêng biệt, chúng liên hệ với nhau ở khâu khởi động như sau: Chu trình trộn bê tông của trạm trộn thực chất là đóng mở cửa xả thích hợp, gốc xuất phát thời điểm nhận xong vật liệu vào thùng trộn. Chu trình hoạt động của cân cát, đá1, đá2, xi măng. Chu trình hoạt động của cân nước, phụ gia. 2.2. Cấu trúc của hệ điều khiển Hệ thống được điều khiển và giám sát bằng máy tính, có khả năng đặt các thông số về khối lượng và thời gian từ chương trình điều khiển trực tiếp từ PLC và các quá trình hoạt động của trạm được hiển thị trên màn hình giao diện của máy tính. Bộ điều khiển khả trình PLC và Modul vào/ ra tương tự có khả năng điều khiển logic trực tiếp các quá trình hoạt động của hệ trạm trộn bê tông. Kiểm tra trạm trộn bê tông trước sản xuất Bật Aptomat cấp nguồn cho phòng điều khiển và tụ điện. ấn nút “CẤP NGUỒN – SUPPLY” (cấp nguồn cho điện động lực và điện điều khiển) lúc này máy nén khí bắt đầu hoạt động. Nguồn cấp cho các động cơ là 12V nguồn cấp cho các relay và các công tắc nút ấn là 24V. Nếu không đúng chiều quay của động cơ máy nén khí (động cơ ba pha) thì phải tắt nguồn điện cấp cho tủ điện phòng điều khiển và thực hiện đảo pha nguồn. Nếu đúng chiều quay của động cơ máy nén khí thì sau 5 phút máy sẽ cấp hơi đủ cho trạm. Lúc này toàn bộ trạm mới được phép kiểm tra các bứơc tiếp theo. Ấn nút “CHẠY” của thùng trộn, chạy thử các cánh trộn bê tông trong thùng trộn, đèn LED sáng. Ấn nút “ĐÓNG” cửa xả bê tông, đèn LED sáng báo cửa xả bê tông đã được đóng. Tiếp tục kiểm tra các hoạt động của XI MĂNG, NƯỚC tương tự như cốt liệu. Ấn nút “Mở” cửa xả thùng trộn, tháo nước rửa, sau khi tháo hết nước ấn nút “Đóng” cửa xả, đèn LED “ĐÓNG” sáng. Ấn nút “Dừng” thùng trộn, ngừng quay cánh trộn trong thùng trộn, đèn tắt. Kết thúc việc kiểm tra vận hành thử trạm. Sau khi đã tiến hành kiểm tra trạm trộn trước sản xuất ta có thể vận hành trạm trộn theo các chế độ sau: Từ trên máy tính mác của bê tông (tỷ lệ khối lượng các loại nguyên vật liệu) được truyền xuống PLC, cùng với các thông số: Số mẻ trộn, bảng số liệu về thời gian xả các loại nguyên vật liệu và bê tông, số liệu hiệu chỉnh sai số khối lượng khi cân. Dựa vào các số liệu được chuyển xuống từ chương trình điều khiển trên máy tính, chương trình từ PLC điều khiển trực tiếp hoạt động của trạm trộn ở các chế độ sau: Chế độ điều khiển bằng tay (MANUAL). Ở chế độ điều khiển bằng tay, hệ thống được điều khiển trên phím cứng là nút ấn ở bàn điều khiển, các công việc cân đá, cát, xi măng, phụ gia, nước có thể thực hiện nhập bằng máy tính. ở chế độ này chú yếu sử dụng cho mục đích thử sự hoạt động của các van điều khiển và động cơ. Chế độ điều khiển tự động (AUTOMATIC). Trên bàn điều khiển cứng chuyển nút ấn sang chế độ điều khiển tự động, khi chuyển sang chế độ tự động, hệ thống sẽ yêu cầu nhập mác trộn, số mẻ trộn, một mẻ trộn bao nhiêu khối, thời gian trộn khô, thời gian trộn ướt... chỉ khi nhập đầy đủ các thông số trên thì hệ thống mới có thể làm việc, khi đã đầy đủ các điều kiện trên, ấn nút Auto-Start ban đầu hệ thống sẽ tiến hành cân các thông số: Nước, Đá, Cát, Xi măng, Phụ gia. Sau khi đá+cát cân xong van cân đá sẽ xả đá và cát xuống băng tải và đưa vào gầu, sau khi đá+cát đã xả hết vào gầu, động cơ băng tải kéo gầu lên và xả vào thùng trộn, xi măng sau khi cân xong sẽ chờ đá+cá và cùng xả vào thùng trộn cùng một lúc, căn cứ vào giá trị đặt thời gian trộn khô, sau khi chạy hết thời gian trộn khô hệ thống sẽ tiến hành mở van cân nước và van cân phụ gia bắt đầu trộn ướt, khi hết thời gian trộn ướt van xả của thùng trộn xả, trong quá trình trộn van đá, cát, xi măng, nước, phụ gia vẫn tiếp tục tiến hành cân, vòng lặp cứ tiếp tục cho đến lúc trộn xong số mẻ đặt. 2.3. Hệ thống máy tính giám sát trung tâm Hệ thống máy tính giám sát trung tâm với phần mềm điều khiển giám sát có các chức năng: Nhập và truyền các lượng đặt về thời gian xuống PLC. Giám sát các quá trình hoạt động của trạm bằng tín hiệu đèn báo. Giám sát hệ thống định lượng của máy. Máy tính (PC) giám sát truyền thông với PLC điều khiển trực tiếp bằng giao thức PC/MPI qua cáp PC Adapter. Nhờ đó ta có thể truyền thông dễ dàng giữa Máy tính và PLC. Yêu cầu tối thiểu về cấu hình của máy tính tốc độ 300KHz, bộ nhớ RAM 32Mb. Ngoài giám sát bằng máy tính ta có thể theo dõi hoạt động của máy tính nhờ hệ thống đèn báo Led thường được gắn trên tủ điều khiển. 2.4. Hệ thống điều khiển trực tiếp cho trạm trộn Để điều khiển trạm trộn bê tông máy tính có thể hoàn toàn đảm nhiệm chức năng này, tuy nhiên nhược điểm của máy tính này là độ an toàn thấp. Ngày nay với sự ra đời và phát triển của thiết bị điều khiển Logic khả trình PLC. Hoạt động tin cậy và thích hợp trong môi trường công nghiệp, khắc phục được các nhược điểm của máy tính, do đó việc trình bày hệ thống hoàn toàn cho phép ta lựa chọn giải pháp kết hợp khả năng của máy tính và PLC điều khiển chi phí thấp nà chất lượng hệ thống được nâng cao rõ rệt. Trong hệ thống, nhiệm vụ điều khiển hoạt động các cơ cấu chấp hành tập trung tại PLC. Vì thế cho phép hệ thống hoạt động độc lập khi máy tính gặp sự cố. Máy tính và PLC có thể trao đổi dữ liệu để hệ thống vận hành đúng yêu cầu của từng loại Mác bê tông. 2.5. Hệ thống cung cấp điện cho trạm trộn bê tông Trạm trộn bê tông là một hệ thống máy điện có công suất đặt khá lớn khoảng 200 KVA, có thiết bị dùng 1 pha, có thiết bị dùng 3 pha. Ta cần thiết kế trạm biến áp riêng cho hệ thống sao cho phải đủ năng lượng để cung cấp cho trạm hoạt động và độ an toàn phải cao.Để đảm bảo tính liên tục khi làm việc thì ta thiết kế thêm một máy phát dự phòng tránh trường hợp khi mất điện không làm ảnh hưởng đến quá trình sản xuất. 2.5.1. Tính toán cung cấp điện cho hệ thống trạm trộn. Điện áp đưa vào trạm trộn được lấy từ lưới điện trung áp cấp cho nhà máy qua trạm phân phối trung tâm được đưa tới trạm biến áp của trạm bằng cáp ngầm, điện áp từ lưới trung áp là 35KV sau khi qua trạm biến áp hệ thống được giảm xuống 0,4KV. Tính chọn công suất động cơ Căn cứ vào yêu cầu của trạm ta sẽ chọn các động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Động cơ ngắn hạn lặp lại: là chế độ mà thời gian mang tải và thời gian nghỉ xen kẽ nhau. Khi làm việc nhiệt sai tăng lên nhưng chưa tới ổn định. Thời gian nghỉ giảm nhưng chưa tới 0. Đối với chế độ ngắn hạn lặp lại người ta dùng khái niệm hệ số đóng điện å% (Hệ số tiếp điện). å% = = (II.1) Trong đó: tlv: là thời gian làm việc có tải tc.kỳ= tlv+ tnghỉ : là thời gian của một chu kỳ. Người ta đã chế tạo chuẩn: Ngắn hạn lặp lại tải thay đổi: Khi å% = å%chuẩn ta tính theo công thức: (II.2) Trong đó : Mi: trị số mômen ứng với khoảng thời gian ti . Mđt: mô men đẳng trị. Ptđ: Công suất tương đương. Khi å% ≠ å%chuẩn thì ta phải tính ra Mđt từ đó ta tính ra Pđt. Do đó công suất tính toán Ptt được tính theo công thức sau: (II.3) Sau đó tính chọn công suất định mức Pđm lớn hơn hoặc bằng công suất tính toán Ptt (Pđm ≥ Ptt). Gắn hạn lặp lại tải không đổi: Đối với ngắn hạn lặp lại tải không đổi thì chọn công suất định mức Pđm lớn hơn hoặc bằng công suất yêu cầu Pyc (Pđm ≥ Pyc) phù hợp giữa å%tải và å%chuẩn, tốc độ thích hợp. Khi å% ≠ å%chuẩn thì ta phải tính: . (II.4) Sau đó tính chọn Pđm≥ Ptt như bình thường. Theo mô hình thực tế của em thì em chọn các loại động cơ có công suất như sau: Loại động cơ Động cơ trộn Động cơ băng tải Động cơ nén khí Động cơ bơm nước Công suất (W) 5-7w 5-7w 5-7w 5-7w Bảng 2.1 tính công suất chọn động cơ 2.5.2. Các phần tử đóng cắt, bảo vệ, đo lường liên động. 2.5.2.1. Thiết bị bảo vệ: Các thiết bị bảo vệ khác nhau sẵn sàng bảo vệ máy phát, máy biến áp đường dâyvà thiết bị tiêu thụ lưới điện. Mục đích của các thiết bị này là phát hiện sự cố cách ly chúng khỏi lưới một cách chọn lọc và nhanh chóng sao cho có thể hạn chế được nhiều nhất hậu quả của sự cố. Vì vậy các rơ le bảo vệ cần phải tác động nhanh với độ tin cậy cao và khả năng sẵn sàng đáp ứng cao nhất có thể được. Cầu chì: dùng để bảo vệ cho thiết bị điện và lưới điện tránh khỏi dòng điện ngắn mạch. Cầu chảy có bộ phận chủ yếu là dây chảy. Trị số mà dòng điện mà dây chảy bị chảy đứt được gọi là dòng điện giới hạn (Igh). Rõ ràng, cần có dòng điện giới hạn lớn hơn dòng điện định mức (Igh >Iđm) để dây chảy không bị đứt khi làm việc với dòng điện định mức. Thông thường, đối với dây chảy cầu chì thì: Igh= (1,25 - 1,45)Iđm Nhược điểm: Khi xảy ra sự cố ngắn mạch, dây chảy đứt, người vận hành phải thay dây chảy cầu chì do đó ảnh hưởng đến năng suất làm việc của máy. Việc để cho người vận hành thay dây chảy cầu chì là tạo cho người vận hành chấp hành không đúng dẫn đến làm sai. Rơ le nhiệt:dùng để bảo vệ các thiết bị điện (động cơ) khỏi bị quá tải Rơ le nhiệt có dòng điện làm việc tới vài trăm Ampe, ở lưới điện một chiều 440V và xoay chiều tới 500V, tần số 50Hz. Trong thực tế sử dụng, dòng điện định mức của rơle nhiệt thường được chọn bằng dòng điện định mức của động cơ điện cần được bảo vệ quá tải, sau đó chỉnh giá trị của dòng điện tác động là: Itđ= (1,2 - 1,3)Iđm Công tắc: Là khí cụ đóng - cắt bằng tay hoặc bằng tác động cơ khí ở lưới điện hạ áp. Việc đóng, ngắt các tiếp điểm cũng có thể theo các nguyên tắc cơ khí khác nhau Sử dụng công tắc hành trình kiểu gạt có cần gạt với bánh xe ở đầu cần. Khi bị gạt, cần gạt sẽ gạt sang trái hoặc sang phải và từ đó đóng hoặc ngắt tiếp điểm bên trong công tắc. Nút ấn: Dùng để đóng- cắt mạch ở lưới điện hạ áp. Nút ấn thường được dùng để điều khiển các rơ le, công tắc tơ, chuyển đổi mạch tín hiệu, bảo vệ... Sử dụng phổ biến nhất là dùng nút ấn trong mạch điều khiển động cơ để mở máy, dừng và đảo chiều quay. Nút ấn cũng có kiểu hở và kiểu được bảo vệ kín để chống bụi, nước, chống nổ... và có loại có cả đèn báo để trạng thái của nút ấn. Aptomat (máy ngắt tự động): Là khí cụ điện đóng mạch bằng tay và cắt mạch tự động khi có sự cố như: quá tải, ngắn mạch, sụt áp... Kết cấu các aptomat rất đa dạng và được chia theo chức năng bảo vệ: aptomat dòng điện cực đại, aptomat dòng điện cực tiểu, aptomat điện áp thấp... Aptomat dòng điện cực đại được dùng để bảo vệ mạch điện khi quá tải và ngắn mạch. Aptomat điện áp thấp dùng để bảo vệ mạch điện khi điện áp tụt thấp không đủ điều kiện làm việc hoặc khi mất điện áp. Các aptomat có thể kết hợp nhiều nguyên lý làm việc thành các aptomat vạn năng: vừa bảo vệ quá dòng hay ngắn mạch, vừa bảo vệ điện áp thấp, vừa bảo vệ quá tải... Các rơle: Rơle là loại khí cụ điện tự động dùng để đóng- cắt mạch điện điều khiển hoặc mạch bảo vệ để liên kết giữa các khối điều khiển khác nhau, thực hiện các thao tác logic theo một quá trình công nghệ. Rơle điện từ: là loại rơle đơn giản nhất và dùng rộng rãi nhất, làm việc dựa trên nguyên lý điện từ và về kết cấu nó tương tự như công tắc tơ nhưng chiều đóng- cắt mach điện điệu khiển, không trực tiếp dùng trong mạch lực... Rơ le trung gian: khuyếch đại các tín hiệu điều khiển, nó nằm ở vị trí giữa hai rơle khác nhau. Số lượng tiếp điểm (tiếp điểm thường đóng, tiếp điểm thường mở, tiếp điểm chuyển đổi có cực động chung) của rơle trung gian thường nhiều hơn các loại rơle khác. Rơle dòng điện: bảo vệ mạch điện khi dòng điện trong mạch vượt quá hay giảm dưới một trị số nào đó đã được chỉnh định trong rơle. Rơle điện áp: bảo vệ các thiết bị điện khi điện áp đặt vào thiết bị tăng quá hoặc giảm quá mức qui định.Cuộn điện áp được mắc song song với mạch điện của thiết bị điện cần bảo vệ. Rơle điện áp chia ra 2 loại theo nhiệm vụ bảo vệ: Rơle điện áp cực đại: nắp từ động không quay ở điện áp bình thường. Khi điện áp tăng quá mức, lực từ thắng lực cản lò xo, nắp từ động sẽ quay và rơle tác động. Rơle điện áp cực tiểu: nắp từ động sẽ quay ở điện áp bình thường. Khi điện áp giảm quá mức, lực lò xo thắng lực từ, nắp từ động sẽ quay ngược và rơle tác động. Rơle thời gian: Là loại rơ le tạo trễ đầu ra nghĩa là khi đầu vào có tín hiệu điều khiển thì sau một khoảng thời gian nào đó đầu ra mới tác động (tiếp điểm rơle mới đóng hoặc mới mở). Thời gian trễ có thể từ vài phần giây đến hàng giờ hoặc hơn nhiều. Xi lanh khí nén Xi lanh khí nén dùng trong cơ cấu phân loại sản phảm lỗi Xi lanh khí nén hay còn gọi là piston khí nén, xi lanh khí, pen hơi. Là thiết bị cơ học tạo ra lực, được cung cấp bởi khí nén. Hình 2.1: Xi lanh khí nén Xi lanh khí nén có cấu tạo gồm các thành phần: Thân trụ (Barrel) và Pít tông (Piston), trục pít tông (Piston rod), các lỗ cấp, thoát khí Cap-end port và Rod-end port. Cylinder Stroke (hành trình xa nhất mà piston rod có thể di chuyển Hình 2.2: Nguyên lý làm việc của xy lanh khí nén Hoạt động bằng cách chuyển hóa năng lượng của khí nén thành động năng qua đó chuyền tới thiết bị. Khi lượng khí nén đưa vào xy lanh tạo nên một áp xuất làm pít tông dịch chuyển theo hướng mong muốn. Hoạt động chung: Khi được kích thích, không khí nén vào thành ống với một đầu của piston và do đó sẽ chiếm không gian trong xy lanh. Lượng khí này lớn dần sẽ làm piston di chuyển, khi piston di chuyển sẽ sinh ra công và làm thiết bị bên ngoài hoạt động 2.6. Hệ thống an toàn của trạm Để đảm bảo cho hệ thống đặc biệt là đảm bảo an toàn cho người vận hành, sửa chữa. Trạm phải được thiết kế với độ tin cậy cao. Ví dụ: Khi người công nhân vào thùng trộn để vệ sinh bê tông thì ở phần lắp thùng có đặt 1 hệ thống an toàn đó là mở lắp ra thì sẽ ngắt toàn bộ điện cho trạm. Lúc đó nếu ai đó có ấn nút start thì hệ thống cũng không làm việc. Đảm bảo khi người ra khỏi thùng trộn và đậy lắp lại rồi mới hoạt động. Trong khi trộn, người vận hành có thể huỷ bỏ mẻ trộn. Sau khi huỷ bỏ, mẻ đang trộn hiện tại sẽ không được lưu vào cơ sở dữ liệu. Các tỷ lệ đặt và trạng thái của bộ điều khiển sẽ được xoá. 2.7. Mạch lực Hệ điều khiển trạm trộn bê tông không yêu cầu điều chỉnh tốc độ động cơ do vậy để tiết kiệm chi phí và tăng độ tin cậy cho hệ thống ta dùng động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc. Trong toàn bộ hệ thống điện có 12 động cơ công suất từ nhỏ đến lớn, đều dùng nguồn 3 pha. Với các động cơ công suất nhỏ như: động cơ bơm nước, động cơ bơm phụ gia, động cơ đầm rung ta có thể khởi động trực tiếp mà không cần dùng rơ le nhiệt bảo vệ. Các động cơ còn lại có công suất lớn hơn ta phải có biện pháp giảm dòng khởi động và phải có rơle nhiệt bảovệ quá tải. Các biện pháp khởi động động cơ: * Mở máy trực tiếp: Đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ việc đóng trực tiếp động cơ vào lưới điện. Khuyết điểm của phương pháp này là dòng điện mở máy lớn, làm tụt điện áp mạng điện rất nhiều. Nếu quán tính máy lớn, thời gian mở máy sẽ rất lâu, có thể tác động đến hệ thống bảo vệ. Vì thế phương pháp này dùng được khi công suất mạng điện lớn hơn công suất động cơ rất nhiều. * Giảm điện áp Stato khi mở máy: Khi mở máy ta giảm điện áp đặt vào động cơ, để giảm dòng điện mở máy. Khuyết điểm của phương pháp này là mô men mở máy sẽ giảm đi rất nhiều Các biện pháp giảm điện áp đặt vào Stato của động cơ: Dùng điện kháng nối vào mạch Stato: Lúc mở máy ta đưa điện kháng vào mạch Stato, điện áp rơi trên địên kháng giúp làm giám điện áp đặt trực tiếp vào động cơ đi k lần, song Mômen giảm đi k2 lần. Dùng máy biến áp tự ngẫu: Điện áp mạng đặt vào sơ cấp máy biến áp , điện áp thứ cấp đưa vào động, thay đổi vị trí con chạy để cho lúc mở máy điện áp đặt vào động cơ nhỏ, sau đó tăng dần lên định mức. Điện áp pha mở máy động cơ là: Uđc (II.6) Trong đó: k là hệ số biến áp. Zn là tổng trở động cơ lúc mở máy. U1 là điện áp pha lưới. Iđc là dòng điện mở máy Dòng điện lưới I1 khi có biến áp: (II.7) Dòng điện lưới I1 khi mở máy trực tiếp: (II.8) Như vậy dòng mở máy giảm đi k2 lần. Phương pháp này có ưu thế hơn phương pháp dùng điện kháng vì vậy được áp dụng nhiều hơn trong thực tế. * Đổi nối Sao- Tam giác (Y/Ä) Phương pháp này áp dụng cho động cơ lúc làm việc bình thường dây quấn Stato đấu tam giác, khi mở máy động cơ đấu sao (Y) để điện áp đặt vào mỗi pha giảm đi lần. Sau khi mở máy động cơ lại đổi nối tam giác như vậy dòng điện mở máy giảm đi lần, song mô men giảm đi 3 lần. Tuy nhiên phương pháp này kinh tế hơn phương pháp trên. Với đặc điểm của động cơ trong hệ trạm trộn bê tông lúc khởi động không tải nhỏ, không cần mô men khởi động lớn và để kinh tế ta dùng phương pháp đổi nối sao – tam giác (Y/Ä). Xây dựng mạch điều khiển trạm trộn bê tông Hình 2.3 Sơ đồ mạch điều khiển 2.8 giới thiệu chung về plc s7 300 Giới thiệu chung PLC viết tắt của Progammble Logic Control, là thiết bị lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các phép toán điều khiển thông qua một ngôn ngữ lập trình. Nó đươc thiết kế chuyên dụng trong công nghiệp để điều khiển các quá trình từ đơn giản đến phức tạp và tuỳ thuộc vào người sử dụng mà nó có thể thực hiện hàng loạt các chương trình. Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC hiện nay có ứng dụng rất rộng rãi nó có thể thay thế được cả một mảng rơle, hơn thế nữa PLC giống như một máy tính nên có thể lập trình được. Chương trình của PLC có thể thay đổi rất dễ dàng, các chương trình con cũng có thể sửa đổi nhanh chóng. Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC đáp ứng được hầu hết các yêu cầu và như là yếu tố chính trong việc nâng cao hơn nữa hiệu quả sản xuất trong công nghiệp. Trước đây thì việc tự động hoá chỉ được áp dụng trong sản xuất hàng loạt năng suất cao. Hiện nay cần thiết phải tự động hoá cả trong sản xuất nhiều loại khác nhau để nâng cao năng suất và chất lượng. Đặc điểm và vai trò của PLC PLC có những đặc điểm sau: - Thiết bị trống nhiễu. - Có thể kết nối thêm các modul để mở rộng ngõ vào /ra . - Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu . - Dễ dàng thay đổi chương thình điều khiển bằng máy lập thình hoặc máy tính cá nhân. - Độ tin cậy cao, kích thước quá nhỏ. - Bảo trì dễ dàng. Vai trò của PLC: Từ những đặc điểm của plc ta thấy vai trò của nó rất quan trọng trong ngành tự động hoá nói riêng và ngành công nghiệp nói chung . Trong một hệ thống điều khiển tự động, PLC được xem như là một bộ não của hệ thống điều khiển với một chương trình ứng dụng đã được lưu ở bên trong bộ nhớ của PLC, PLC luôn kiểm tra trạng trái của hệ thống bao gồm: Kiểm tra tín hiệu phản hồi từ thiết bị nhập dựa vào chương trình logic để sử lý tín hiệu và mang thiết bị điều khiển ra các thiết bị xuất. PLC có đầy đủ các chức năng như: Bộ đếm, bộ định thời, các thanh ghi, bộ cộng bộ trừ, bộ so sánh ... và các tập lệnh cho phép thực hiện các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển từ đơn giản đến phức tạp khác nhau. Hoạt động của plc hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình nằm trong bộ nhớ, nó luôn cập nhật tín hiệu gõ vào xử lý tín hiệu để điều khiển ngõ ra. Hình thức giao diện cơ bản giữa PLC và các thiết bị nhập là: nút ấn, cầu dao... Ngoài ra PLC còn nhận được tín hiệu từ các thiết bị nhận dạng tự động như: Công tắc trạng thái, cảm biến quang điện... Các loại tín hiệu nhập đến PLC phải là trạng thái Logic ON/OFF hoặc tín hiệu Analog. Những tín hiệu ngõ vào này được giao tiếp với PLC qua các Modul nhập. Trong một hệ thống tự động hoá, thiết bị xuất cũng là một yếu tố rất quan trọng. Nếu ngõ ra của PLC không được kết nối với thiết bị xuất thì hầu như hệ thống sẽ bị tê liệt hoàn toàn. Các thiết bị xuất thông thường là: Động cơ, cuộn dây nam châm, relay, còi báo... Thông qua hoạt động của motor, các cuộn dây, PLC có thể điều khiển một hệ thống từ đơn giản đến phức tạp. Tuy nhiên các thiết bị xuất khác như là: Đèn, còi và các báo động sự cố chỉ cho biết các mục đích như: Báo cho chúng ta biết giao diện tín hiệu ngõ vào, các thiết bị ngõ ra được giao tiếp với PLC qua miền rộng của Modul ngõ ra PLC. Ngày nay plc được đưa vào hệ thống điều khiển một các rộng rãi và trở lên thông dụng để đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng. Các nhà sản xuất đưa ra thị trường hàng loạt các loại PLC khác nhau với nhiều mức độ thực hiện chương trình, đủ để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.Vì vậy để đánh giá một PLC người ta dựa vào 2 tiêu chuẩn sau : Dung lượng bộ nhớ. Số tiếp điểm vào/ra của PLC. Bên cạnh đó cũng cần chú ý đến các chức năng như: Bộ vi sử lý, chu kì xung clock, ngôn ngữ lập trình, khả năng mở rộng số ngõ vào/ra. cấu trúc cơ bản PLC Nguồn CPU Out put modul Memory In put modul Link Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc CPU Chế tạo dựa trên công nghệ vi sử lý, nó có các bộ như: Bộ thuật toán và logic (ALU) chịu trách nhiệm xử lý giữ liệu thưc hiện các phép toán số học (cộng trừ) và các phép toán logic: AND, OR, NOT... Bộ nhớ (các thanh ghi). Bên trong bộ vi sử lý được sử dụng để lưu trữ thông tin liên quan đến sự thực thi chương trình. Memory Trong hệ thống plc có nhiều loại bộ nhớ : - Bộ nhớ địa chỉ (ROM) cung cấp dung lượng lưu trữ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định được cpu sử dụng. - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) dành cho dữ liệu. Đây là nơi lưu trữ thông tin theo trạng thái cua các thiết bị nhập xuất. Đặc điểm nội dung có thể đọc, ghi, xoá, khi mất điện thông tin sẽ bị mất. - Bộ nhớ nửa cố định: + EFPOM được dùng phổ biến do có thể xoá được và lập trình lại nhiều lần.Việc xoá và lập trình lại cho EFROM phải được thực hiện trên các thiết bị riêng, mỗi lần lập trình lại phải xoá toàn bộ các ô nhớ của EFROM. + EEFROM là loại có thể xoá và ghi bằng tín hiệu điện với mức điện áp thông thường, ngoài ra EEFROM còn có thể xoá từng ô nhớ xác định mà không cần nhấc ra khỏi mạch ứng dụng. Input : - Số lượng. - Xoay chiều, một chiều - Số - Tương tự Out put: - Số lượng - Tiếp điểm - Số - Tương tự Ghép nối: - Console - Máy tính - Phần mềm. Bus : - Bus địa chỉ. - Bus dữ liệu. - Bus hệ thống. - Bus điều khiển. III.2. Thiết bị điều khiển logic khả trình simatic S7-300 Cấu hình cứng PLC S7-300 cấu trúc dạng module gồm các thành phần sau: CPU các loại khác nhau: 312IFM, 312C, 313, 313C, 314, 314IFM,314C, 315, 315-2 DP, 316-2 DP, 318-2. Module tín hiệu SM xuất nhập tín hiệu tương đồng /số: SM321, SM322, SM323, SM331, SM332, SM334, SM338, SM374. Module chức năng FM Module truyền thông CP Module nguồn PS307 cấp nguồn 24VDC cho các module khác, dòng 2A, 5A, 10A. Module ghép nối IM: IM360, IM361, IM365 Các module được gắn trên thanh rây như hình dưới, tối đa 8 module SM/FM/CP ở bên phải CPU, tạo thành một rack, kết nối với nhau qua bus connector gắn ở mặt sau của module . Mỗi module được gán một số slot tính từ trái sang phải, module nguồn là slot 1, module CPU slot 2, module kế mang số 4 Hình 2.5 Các modul Nếu có nhiều module thì bố trí thành nhiều rack (trừ CPU312IFM và CPU313 chỉ có một rack), CPU ở rack 0, slot 2, kế đó là module phát IM360, slot 3, có nhiệm vụ kết nối rack 0 với các rack 1, 2, 3, trên mỗi rack này có module kết nối thu IM361, bên phải mỗi module IM là các module SM/FM/CP. Cáp nối hai module IM dài tối đa 10m. Các module được đánh số theo slot và dùng làm cơ sở để đặt địa chỉ đầu cho các module ngõ vào ra tín hiệu. Đối với CPU 315-2DP, 316-2DP, 318-2 có thể gán địa chỉ tùy ý cho các module.Mỗi địa chỉ tương ứng với một byte. Với các module số địa chỉ một ngõ vào hay ra là x.y, x là địa chỉ byte, y có giá trị từ 0 đến 7. Ví dụ module SM321 DI 32 có 32 ngõ vào gắn kế CPU slot 4 có địa chỉ là I0.y, I1.y, I2.y, I3.y, I là ký hiệu chỉ ngõ vào số. Module analog có địa chỉ theo word, ví dụ module SM332 AO4 có 4 ngõ ra analog gắn ở slot 5 rack 1 có địa chỉ PQW400, PQW402, PQW404, PQW406, ngõ ra số có ký hiệu là Q còn ngõ vào analog ký hiệu là PIW. Các CPU 312IFM, 314 IFM, 31xC có tích hợp sẵn một số module mở rộng: CPU 312IFM, 312C: 10 ngõ vào số địa chỉ I124.0 I124.7, I125.1; 6 ngõ ra số Q124.0Q124.5. CPU 313C: 24 DI I124.0..126.7, 16DO Q124.0..125.7, 5 ngõ vào tương đồng AI địa chỉ 752..761, hai ngõ ra AO 752..755 CPU 314IFM: 20 ngõ vào số I124.0 I126.3; 16 ngõ ra số Q124.0 Q125.7; 4 ngõ vào tương đồng PIW128, PIW130, PIW132, PIW134; một ngõ ra tương đồng PQW128. MODULE CPU Các module CPU khác nhau theo hình dạng chức năng, vận tốc xử lý lệnh. Loại 312IFM, 314IFM không có thẻ nhớ. Loại 312IFM, 313 không có pin nuôi. Loại 315-2DP, 316-2DP, 318-2 có cổng truyền thông DP. Các đèn báo có ý nghĩa sau: SF ... (đỏ) ... lỗi phần cứng hay mềm, BATF ... (đỏ) ... lỗi pin nuôi, DC5V ... (lá cây) ... nguồn 5V bình thường, FRCE ... (vàng ) ... force request tích cực RUN ... (lá cây) ... CPU mode RUN ; LED chớp lúc start-up w. 1 Hz; mode HALT w. 0.5 Hz STOP mode ... (vàng) ... CPU mode STOP hay HALT hay start-up; LED chớp khi memory reset request BUSF ... (đỏ) ... lỗi phần cứng hay phần mềm ở giao diện PROFIBUS Khóa mode có 4 vị trí: RUN-P chế độ lập trình và chạy RUN chế độ chạy chương trình STOP ngừng chạy chương trình MRES reset bộ nhớ Thẻ nhớ có thể có dung lượng từ 16KB đến 4MB, chứa chương trình từ PLC chuyển qua và chuyển chương trình ngược trở lại cho CPU. Hình 2.6 Module CPU Pin nuôi giúp nuôi chương trình và dữ liệu khi bị mất nguồn (tối đa 1 năm), ngoài ra còn nuôi đồng hồ thời gian thực. Với loại CPU không có pin nuôi thi cũng có một phần vùng nhớ được duy trì. Thông qua cổng truyền thông MPI (MultiPoint Interface) có thể nối: máy tính lập trình, màn hình OP (Operator panel), các PLC có cổng MPI (S7-300, M7-300, S7-400, M7-400, C7-6xx), S7-200, vận tốc truyền đến 187.5kbps (12Mbps với CPU 318-2, 10.2 kbps với S7-200). Cổng Profibus–DP nối các thiết bị trên theo mạng Profibus với vận tốc truyền lên đến 12Mbps. Các vùng nhớ của PLC Vùng nhớ chương trình (load memory) chứa chương trình người dùng (không chứa địa chỉ ký hiệu và chú thích) có thể là RAM hay EEPROM trong CPU hay trên trên thẻ nhớ. Vùng nhớ làm việc (working memory) là RAM, chứa chương trình do vùng nhớ chương trình chuyển qua; chỉ các phần chương trình cần thiết mới được chuyển qua, phần nào không cần ở lại vùng nhớ chương trình , ví dụ block header, data block Vùng nhớ hệ thống (system memory) phục vụ cho chương trình người dùng, bao gồm timer , counter, vùng nhớ dữ liệu M, bộ nhớ đệm xuất nhập Trên CPU 312IFM và 314 IFM vùng nhớ chương trình là RAM và EEPROM; các CPU khác có pin nuôi, vùng nhớ chương trình là RAM và thẻ nhớ. Khi mất nguồn hay ở chế độ MRES ( reset bộ nhớ) RAM sẽ bị xóa. Một số vùng nhớ của RAM ( timer, counter, vùng nhớ M, khối dữ liệu..) có thể khai báo là lưu giữ (retentive) bằng phần mềm S7 để chuyển các vùng này sang bộ nhớ lưu giữ (NVRAM non volative ) dù không có pin nuôi, kích thước cụ thể tùy loại CPU. Module IM Hình 2.7 Module IM Module IM360 gắn ở rack 0 kế CPU dùng để ghép nối với module IM361 đặt ở các rack 1, 2, 3 giúp kết nối các module mở rộng với CPU khi số module lớn hơn 8. Cáp nối giữa hai rack là loại 368. Trong trường hợp chỉ có hai rack, ta dùng loại IM365. Module tín hiệu Module vào số có các loại sau: SM 321; DI 32 _ 24 VDC SM 321; DI 16 _ 24 VDC SM 321; DI 16 _ 120 VAC, 4*4 nhóm SM 321; DI 8 _ 120/230 VAC, 2*4 nhóm SM 321; DI 32 _ 120 VAC 8*4 nhóm Module ra số: SM 322; DO 32 _ 24 VDC/0.5 A, 8*4 nhóm SM 322; DO 16 _ 24 VDC/0.5 A, 8*2 nhóm SM 322; DO 8 _ 24 VDC/2 A, 4*2 nhóm SM 322; DO 16 _ 120 VAC/1 A, 8*2 nhóm SM 322; DO 8 _ 120/230 VAC/2 A, 4*2 nhóm SM 322; DO 32_ 120 VAC/1.0 A, 8*4 nhóm SM 322; DO 16 _ 120 VAC ReLay, 8*2 nhóm SM 322; DO 8 _ 230 VAC Relay, 4*2 nhóm SM 322; DO 8 _ 230 VAC/5A Relay,1*8 nhóm Module vào/ ra: SM 323; DI 16/DO 16 _ 24 VDC/0.5 A SM 323; DI 8/DO 8 _ 24 VDC/0.5 A Module Analog in Module analog in có nhiều ngõ vào, dùng để đo điện áp, dòng điện, điện trở ba dây, bốn dây, nhiệt độ. Có nhiều tầm đo, độ phân giải, thời gian chuyển đổi khác nhau. Cài đặt thông số hoạt động cho module bằng phần mềm S7- Simatic 300 Station – Hardware và/hoặc chương trình người dùng sử dụng hàm SFC 55, 56, 57 phù hợp (xem mục ) và/hoặc cài đặt nhờ mo±dulle tầm đo (measuring range module) gắn trên module SM. Kết quả chuyển đổi là số nhị phân phụ hai với bit MSB là bit dấu. - SM331 AI 2*12: module chuyển đổi hai kênh vi sai áp hoặc dòng, hoặc một kênh điện trở 2/3/4 dây, dùng phương pháp tích phân, thời gian chuyển đổi từ 5ms đến 100ms, độ phân giải 9, 12, 14 bit + dấu, các tầm đo như sau: ±80 mV; ±250 mV; ± 500 mV; ±1000 mV; ± 2.5 V; ± 5 V;1 .. 5 V; ± 10 V; ± 3.2 mA; ± 10 mA; ± 20 mA; 0 .. 20 mA; 4 ..20 mA. Điện trở 150 W; 300 W; 600 W; Đo nhiệy độ dùng cặp nhiệt E, N, J, K, L, nhiệt kế điện trở Pt 100, Ni 100. Các thông số mặc định đã được cài sẵn trên module, kết hợp với đặt vị trí của module tầm đo (bốn vị trí A, B, C, D) nếu không cần thay đổi thì có thể sử dụng ngay. - SM331, AI 8*12 bit: 8 kênh vi sai chia làm hai nhóm, độ phân giải 9 (12, 14) bit + dấu. - SM331, AI 8*16 bit: 8 kênh vi sai chia làm 2 nhóm , độ phân giải 15 bit + dấu. Module Analog Out Cung cấp áp hay dòng phụ thuộc số nhị phân phụ hai - SM332 AO 4*12 bit: 4 ngõ ra dòng hay áp độ phân giải 12 bit, thời gian chuyển đổi 0.8 ms. - SM332 AO 2*12 bit - SM332 AO 4*16 bit Module Analog In/Out - SM 334; AI 4/AO 2*8 bit - SM334; AI 4/AO 2*12 bit Phần mềm lập trình cho S7-300 Chương trình người dùng thường được chia nhỏ thành từng khối logic theo kiểu chương trình cấu trúc, giúp cho việc lập trình và sữa lỗi thuận tiện. Có nhiều loại khối logic: Khối tổ chức OB (Organization blocks) Khối hàm hệ thống SFB (System function blocks) và hàm hệ thống SFC (system functions) tích hợp trong PLC Khối hàm FB (Function blocks) trong thư viện hay người dùng tự viết Hàm FC (Functions) trong thư viện hay người dùng tự viết Khối dữ liệu Instance (Instance Data Blocks ) liên kết với FB/SFB Khối dữ liệu chia xẻ (Shared Data Blocks ) Khối tổ chức OB là giao diện giữa chương trình người dùng và hệ điều hàmh của PLC. OB được gọi bởi hệ điều hành theo chu kỳ hay khi có ngắt, có sự cố hay khi khởi động PLC. Có nhiều khối OB và có ưu tiên khác nhau, khối OB có số ưu tiên cao hơn có thể ngắt khối OB số ưu tiên thấp hơn. Tuỳ theo loại CPU, số lượng khối OB sử dụng được sẽ khác nhau, bảng sau liệt kê các loại OB. OB1 được gọi sau khi kết thúc quá trình khởi động và sau khi kết thúc chính nó, mọi OB trừ OB90 có thể ngắt OB1. Khi OB1 đã được thực hiện, hệ điều hành gởi đi dữ liệu toàn cục. Trước khi gọi lại OB1, hệ điều hành chuyển bộ nhớ đệm ra module xuất , cập nhật bộ đệm nhập và nhận dữ liệu toàn cục. Khi thực hiện OB1, chương trình trong khối được thực hiện, dữ liệu xuất ra module xuất được cấp tạm trong bộ nhớ. Chương trình trong OB1 có thể gọi các hàm hay khối hàm. Thời gian thực hiện OB1 gọi là thời gian quét, hệ điều hành ấn định thời gian quét tối đa (150ms) và tối thiểu, có thể cài đặt bằng Step 7. Nếu chu kỳ quét kéo dài thì gọi OB80 hay chuyển sang STOP, nếu chu kỳ quét ngắn quá thì thêm trì hoãn hay gọi OB90. OB1 gồm phần mã chương trình, do người dùng viết; bảng biến cục bộ (local block) còn gọi là bảng khai báo biến (variable declaration table) gồm 20 byte Cột thứ nhất là địa chỉ trong vùng biến cục bộ, cột thứ hai khai báo loại biến, temp nghĩa là tạm thời, giá trị của biến thay đổi sau mỗi vòng quét của OB, cột thứ ba là các tên của dữ liệu, có ý nghĩa như sau (giải thích trong cột chú thích 6): OB1_EV_CLASS: giá trị B#16#11 có nghĩa OB1 tích cực OB1_SCAN_1: B#16#01: hoàn tất warm restart B#16#02: hoàn tất hot restart B#16#03: hoàn tất chu kỳ B#16#04: hoàn tất cold restart OB1_PRIORITY: giá trị 1 OB1_OB_NUMBR: số OB là 1 OB1_RESERVED_1: dự trữ OB1_RESERVED_2: dự trữ OB1_PREV_CYCLE: thời gian vòng quét trước (ms) OB1_MIN_CYCLE: thời gian vòng quét ngắn nhất OB1_MAX_CYCLE: thời gian vòng quét dài nhất OB1_DATE_TIME: ngày giờ OB1 bắt đầu thực hiện (8 byte) Các giá trị trên người dùng không thay đổi được, người dùng có thể thêm các biến vào từ địa chỉ 20.0 trở đi, các biến này là biến tạm, thay đổi sau mỗi vòng quét. Các biến thêm vào sử dụng cho việc gọi các chương trình con FC, SFC, FB, SFB. Chương trình STEP 7 dùng để lập trình cho PLC S7-300, S7-400. Chương trình này có version 5.0 dùng cho Win 98, Version 5.1 và 5.3 dùng cho Win XP. Khi kích chuột vào biểu tượng Simatic Manager sẽ xuất hiện cửa sổ Hình , bấm Next để chọn loại CPU Hình 2.8 Tạo New project Hình 2.9 Chọn CPU Bấm tiếp Next để chọn các khối OB, bắt buộc là OB1, các OB khác có thể thêm vào sau. Hình 2.10 Chọn ngôn ngữ làm việc Chọn cách lập trình STL, LAD hay FBD, trong lúc lập trình có thể tuỳ ý thay đổi. Bấm tiếp Next đặt tên cho Project, sau đó bấm Finish, xuất hiện cửa sổ lập trình Hình 2.11 Lữu tên chương trình Nửa cửa sổ bên trái sắp xếp dạng thư mục, kích chuôt vào đó để mở ra các mục con. Bấm vào dòng SIMATIC 300 STATION bên trái rồi bấm tiếp vào Hardware bên phải để đặt cấu hình phần cứng của PLC (công việc này cũng có thể thực hiện sau) Hình 2.12 Giao diện 1 program Gỉa sử cấu hình đơn giản gồm các moduke DI/DO, AI/AO, ta kích chuột vào dòng SIMATIC 300, SM- 300 , chọn các module phù hợp, dùng chuột kéo vào các slot của Station từ số 4 trở đi, (slot 3 dùng cho module IM), sau đó vào menu Station – Save rồi Close. Ta sẽ trở lại vấn đề cấu hình ở mục Trở lại Project, bấm vào mục Blocks, ta thấy xuất hiện OB1, bấm vào OB1 nếu lập trình tuyến tính, nghĩa là không dùng các khối logic FC, FB tự tạo Hình 2.13 Giao diện lập trình Bấm vào menu View, chọn STL, LAD, FBD chọn cách lập trình. Khi lập trình ta có thể dùng địa chỉ tuyệt đối ( I0.0, MW2, T5) hay địa chỉ ký hiệu (Start, Speed, Delay). Địa chỉ ký hiệu giúp chương trình dễ hiểu hơn. Có hai loại là ký hiệu cục bộ và ký hiệu toàn cục (hay chia xẻ) , ký hiệu cục bộ khai báo trong bảng khai báo biến của khối và chỉ có ý nghĩa trong phạm vi khối đó, ký hiệu toàn cục khai báo trong bảng ký hiệu Symbols, có ý nghĩa trong toàn bộ các khối của project. Việc khai báo ký hiệu toàn cục thực hiện trước hay sau khi viết mã. Khối logíc có thể có tối đa 999 network, mỗi network có tối đa 2000 hàng , mỗi hàng gồm nhãn , lệnh, địa chỉ và chú thích (sau //) Thủ tục lập ký hiệu toàn cục như sau: bấm chuột vào đối tượng Symbols (Xem hình ). Hình 2.14 Đặt tên và địa chỉ vào ra Các biến ký hiệu được đưa vào từng dòng một, dài tối đa 24 ký tụ chữ số, ký tự đặc biệt, trừ dấu nháy “ , không phân biệt chữ hoa và chữ thường. Bảng ký hiệu chứa tối đa 16380 ký hiệu. Sau khi đã biên tập xong, vào menu Symbol Table- Save để lưu bảng. Vào cửa sổ biên tập của khối chọn View- Display with - Symbolic Representation để nhìn thấy địa chỉ ký hiệu trong chương trình, ký hiệu tuyệt đối được đóng khung bằng dấu “, còn ký hiệu cục bộ có dấu # đứng trước. Sau khi biên soạn chương trình ta có thể chạy mô phỏng không cần PLC nhờ phần mềm S7 PLC Sim theo các bước sau: - Vào menu Simatic Manager- Options- chọn Simulate Modules. Cửa sổ sau xuất hiện - Vào menu PLC- Download để nạp khối chương trình xuống PLC mô phỏng - Vào cửa sổ S7-PLCSIM menu Insert chọn các vùng nhớ muốn quan sát Hình 2.15 PLCSIM Vào menu PLC- chọn Power On, vào menu Execute chọn Scan Mode – Continuous Scan. Chọn RUN hay RUN –P Tác động vào các bit I 0.0, I0.1 để xem hoạt động của chương trình. Trở lại Simatic Manager, chọn View- Online, mở khối logic muốn quan sát (OB1), bấm Debug- Monitor Trong trường hợp muốn tập trung các biến vào một chỗ để dễ quan sát, ta dùng bảng khai báo biến VAT (Variable Table). Trong cửa sổ Manager vào menu Insert- S7 Block hay bấm chuột phải – Insert New Object- Variable Table) ta được khối VAT1, mở khối này ra và thêm vào các địa chỉ vùng nhớ muốn quan sát.Trường hợp có sẵn PLC, đầu tiên ta phải kết nối máy tính với PLC thông qua cáp nối thích hợp, vào menu PLC- sau đó chọn chế độ PLC là Stop, PLC- Download nạp chương trình xuống PLC. 2.9 Tìm hiểu về WinCC 2.9.1 Khái quát chung Định nghĩa về Wincc Wincc là phần mềm tích hợp giao diện người máy IHMI (Intergrate Human Machine Interface) đầu tiên cho phép kết hợp phần điều khiển với quá trình tự động hóa. Những thành phần dễ sử dụng của wincc giúp tích hợp những ứng dụng mới hoặc có sẵn mà không gặp bất kì trở ngại nào. Đặc biệt với Wincc, người sử dụng có thể tạo ra một giao diện điều khiển giúp quan sát mọi hoạt động của quá trình tự động hóa một cách dễ dàng. Phần mềm này có thể trao đổi trực tiếp với nhiều loại PLC của các hãng khác nhau như: SIEMENS, MITSUBISHI,nhưng đặc biệt Wincc truyền thông rất tốt với PLC của hãng SIEMENS. Nó được cài đặt trực tiếp trên máy tính và giao tiếp với PLC thông qua cổng COM1 hoặc COM2 của máy tính. Do đó cần có một bộ chuyển đổi từ chuẩn RS-232 của máy tính sang chuẩn RS-485 của PLC. Wincc còn có đặc tính mở, nó có thể dễ dành sử dụng tạo lên giao diện người máy đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác. Những nhà cung cấp hệ thống có thể phát triển ứng dụng của họ thông qua giao diện mở của Wincc như một nền tảng để mở rộng hệ thống. Wincc có khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống cấp cao như MES và ERP. 2.9.2 Truyền thông trong môi trường wincc Trình quản lý dữ liệu (Data manager) Wincc cơ sở dữ liệu là Sylbase SQL Anywhere, nó được sử dụng để lập hồ sơ tất cả các dữ liệu cấu hình theo các danh sách Tag và các văn bản thông điệp, các giá trị đo được và các mẫu tin dữ liệu user. Cơ sở dữ liệu này có chức năng như một client Wincc Data Manager là trình quản lý dữ liệu, người sử dụng không thể thấy được trình quản lý dữ liệu này. Trình quản lý dữ liệu làm việc với dữ liệu được sinh ra từ Wincc Project và được cất trong cơ sở dữ liệu Project. Nó quản lý các Wincc tag trong lúc chạy chương trình. Tất cả các dữ liệu của Wincc phải được yêu cầu dữ liệu từ trình quản lý dữ liệu ở các dạng Wincc Tag. Các ứng dụng này bao gồm: Graphics Runtime, Alam Logiging Runtime, Tag Logiging Runtime. Các trình truyền thông Để Wincc truyền thông với tất cả các PLC khác, người ta sử dụng các trình điều khiển truyền thông. Chúng nối trình quản lý dữ liệu với PLC. Trình điều khiển truyền thông gồm một C++DLL, mà truyền thông giao tiếp của trình quản lý dữ liệu gọi là kênh APL. Trình điều khiển truyền thông cung cấp các giá trị quá trình cho các Wincc Tag. Các trình điều khiển truyền thông có tập tin mở rộng là “.chm”. Đơn vị kênh Ngõ vào Communication Driver trong Tag Managerment chứa ít nhất một sub-entry hay còn gọi là một đơn vị kênh. Mỗi đơn vị kênh tạo lên giao tiếp với chính xác một bộ lái Hardware và như vậy với Modul truyền thông của PLC, người ta phải định nghĩa đơn vị kênh. Kết nối với PLC Để đơn vị kênh đọc và ghi giá trị quá trình của PLC người ta phải thiết lập một kết nối với PLC này. Kết nối mới được thiết lập bằng cách Click chuột phải vào đơn vị kênh và New Driver Connection từ Menu. Hình 2.16 Tạo kết nối với PLC Các tham số kết nối được đặt tùy theo trình điều khiển truyền thông được trọn. Kết nối phải luôn được gán với một tên duy nhất với Project. Để cài đặt kết nối click chuột phải vào Tag Managerment sau đó Click vào Add New Driver. Trong Add New Driver trọn một trong các Driver được hiển thị ra. Hình 2.17: Chọn Driver kết nối với PLC Thiết lập các cấu hình truyền thông Các dịch vụ truyền thông của Wincc gồm có truyền thông sau: Truyền thông với Simatic S5 Truyền thông với Simatic S7 Truyền thông với Wincc. Các hàm truyền thông cơ bản Kiểu dữ liệu của Wincc - Binary Tag : Kiểu nhị phân - Unsigned 8 bit value: Kiểu nguyên 8 bit không dấu. - Unsigned 16 bit value: Kiểu nguyên 16 bit không dấu. - Signed 16 bit value: Kiểu nguyên 16 bit có dấu. - Unsigned 32 bit value: Kiểu nguyên 32 bit không có dấu. - Signed 32 bit value : Kiểu nguyên 32 bit có dấu. -Floating point Number 32 bit IEEE 754: Kiểu số thực 32 bit theo tiêu chuẩn IEEE 754. -Floating point Number 64 bit IEEE 754: Kiểu số thực 64 bit theo tiêu chuẩn IEEE 754. -Text tag 8 bit character set : Kiểu kí tự 8 bit. - Text tag 16 bit character set: Kiểu kí tự 16 bit. - Raw data type: Kiểu dữ liệu thô. - Text Reference. Gửi dữ liệu từ Wincc xuống các ô nhớ PLC: -Cấu trúc: (giá trị trả về) SetTagX(“tên biến ngoại”, giá trị ) Giá trị trả về: BOOL. Nếu quá trình gửi thành công thì giá trị trả về là TRUE, còn ngược lại thì giá trị trả về là FALSE, X có thể là Bit, Byte, Word. Lấy dữ liệu từ ô nhớ PLC lên biến ngoại nào đó trên Wincc: Cấu trúc: (Giá trị trả về) GetTagX(“tên biến ngoại”) X có thể là Bit, Byte, Word. Tên biến ngoại là biến được gán tương ứng với các ô nhớ nhất định của PLC được thiết lập ở Tag Managerment. 2.9.3. Các chức năng của wincc Tùy theo chức năng sử dụng mà người dùng có thể chọn các gói khác nhau trong Wincc như một trong các lựa trọn của sản phẩm. Các gói cơ bản của Wincc được chia làm hai loại sau: Wincc Runtime Package (RT): chứa các chức năng ứng dụng để chạy các ứng dụng của Wincc như hiển thị, điều khiển, thông báo các trạng thái, các giá trị điều khiển và làm các báo cáo. Wincc Complete Package (RC): bao gồm bản quyền để xây dựng cấu hình hệ thống và bản quyền chạy ứng dụng. Ngoài những gói phần mềm cơ bản trên, Wincc còn có các Modul nâng cao dành cho những ứng dụng cấp cao hơn (Wincc Options) và các Modul mở rộng đặc biệt (Wincc Add-on). Larm Logging Soạn thảo Alarm Logging đảm trách về các thông báo nhận được và lưu trữ. Nó chứa các chức năng để nhận các thông báo từ quá trình sản xuất, để chuẩn bị, hiển thị, hồi đáp và lưu trữ chúng. Với các đặc tính này, Alarm Logging giúp tìm ra nguyên nhân gây lỗi, dò tìm lỗi, khoanh vùng sự cố, đưa ra các thông báo về tình trạng hiện hành của hệ thông dưới dạng các ghi chép hệ thông hay còn gọi là nhật ký sự kiện. Người vận hành có thể dựa vào đó để vận hành hệ thống một cách tin cậy. Chức năng trên được thực hiện nhờ trình ứng dụng Alarm Logging của Wincc. Các thông báo gồm: -Thông báo lỗi -Cảnh báo -Hiển thị các thông tin về trạng thái hiện hành của hệ thống. Các thông báo bao gồm các thông tin thời gian khi hệ thống xác lập được điều kiện xãy ra thông báo, bit xác định được dựng lên ngày giờ thiết lập thông báo, thông tin cần thiết đi kèm thông báo... Tag Logging Quá trình thu thập số liệu là quá trình không thể thiếu được trong quá trình sản xuất, đó chính là chức năng của một hệ SCADA. Thông thường các số liệu cần thu thập được thể hiện dưới dạng các bảng số liệu trực tuyến, đồ thị. Các giá trị này có một tên danh định trong phần mềm WinCC và được gán cho các biến chương trình. Sự thay đổi các giá trị trong chương trình phụ thuộc vào quá trình vật lí bên ngoài của đối tượng được gán cho các biến chương trình (Tag). WinCC hỗ trợ chức năng hiện giá trị đo thông qua trình ứng dụng Tag Logging. Các phương pháp thu thập và lưu trữ dữ liệu: Liên tục theo chu kỳ (cyclical logging): các giá trị được thu thập một cách liên tục theo chu kỳ và trong trật tự thời gian. Theo chu kỳ lựa chọn (selective logging): quá trình thu thập dữ liệu chỉ bắt đầu khi xãy ra một sự kiện nào đó và kết thúc khi sự kiện đó chấm dứt. Sự kiện có thể là: - Thay đổi giá trị của một biến nhị phân -Giá trị của một biến tương tự vượt qua một ngưỡng cho trước. -Tại một thời điểm định trước . -Tác động của bàn phím hoặc chuột. -Có lệnh của hệ thống máy tính cấp cao hơn. Không theo chu kỳ: Sự kiện bắt đầu phụ thuộc vào một hay nhiều bit, quá trình thu thập dữ liệu bắt đầu khi các bit này chuyển từ 0 sang 1 hay ngược lại. Thời gian thu thập và lưu trữ: -Thời gian thu thập (Acquisition Time): là khoảng thời gian mà giá trị đó sao chép từ quá trình thực thông qua mạng. -Thời gian lưu trữ (Archiving Time): là khoảng thời gian để thực hiện thông tin đo hay chính là khoảng thời gian để phần mềm thể hiện một giá trị đo cụ thể. Graphics Designer Để thực hiện công việc mô phỏng quá trình bằng những hình ảnh trực quan WinCC có một giao diện khá hoàn chỉnh dành cho người sử dụng thông qua trình ứng dụng thiết kế đồ hoạ Graphic Designer. Trình ứng dụng Graphic Designer giúp cho người lập trình có khả năng vẽ lại toàn bộ quá trình, các mô hình của đối tượng. Việc mô phỏng hệ thống chia làm hai bước: Thể hiện hệ thống ở trạng thái tĩnh: Sử dụng các đối tượng chuẩn vẽ các hình ảnh cần thiết kế. Mỗi đối tượng khi được thả xuống thì nó có các giá trị thuộc tính mặc định. Người thiết kế cần đặt các giá trị như vị trí, màu nền, màu đường, phông chữ hiển thị, độ lớn... Thể hiện hệ thống ở trạng thái động: WinCC có các chức năng tiện ích phục vụ cho các nhu cầu thể hiện trạng thái động đồng thời với sự thay đổi về mặt điện của hệ thống điều khiển ngoài thông qua mạng . Để thể hiện được các trạng thái động của hệ thống khi thiết kế cần phải đặt các biến chương trình (tag) trong Tag management. Các đặc tính của chương trình Graphic Designer : - Dễ dàng sử dụng, giao diện đơn giản. - Sắp xếp hợp lý với 1 thư viện biểu tượng kín. - Giao diện mở đối với việc chèn đồ hoạ và trợ giúp kết nối OLE 2.0 - Đặc tính động có khả năng định dạng của các đối tưọng tranh với trợ giúp từ “dynamic wizard”. - Liên kết đến các chức năng cộng thêm bằng mã hữu dụng. - Liên kết các đối tượng đồ hoạ được tự tạo ra. Globall Scripts Đây là phần tổng quát của các action và các hàm C mà đựơc dùng trong toàn bộ project hoặc ngay cả trong các project khác. Các đặc tính: - Khả năng tạo ra các action và các hàm C - Khả năng bổ sung các action và các hàm C qua toàn bộ project hay trong các project khác. - Thư viện của WinCC chứa nhiều hàm chuẩn, mỗi hàm thực hiện một chức năng khác nhau. Để mở rộng chức năng và tạo sự linh hoạt trong việc lập trình ta có thể xây dựng một cơ sở dữ liệu riêng nhằm thực hiện các mục đích khác nhau. Cơ sở dữ liệu này được viết bằng ngôn ngữ lập trình C và được WinCC biên dịch. WinCC chứa các hàm chức năng sau: +Các hàm ứng dụng (Project Function): Các hàm này được sử dụng trong trình ứng dụng WinCC. Người lập trình có thể thay đổi hay thiết lập một hàm ứng dụng mới tuỳ theo những ứng dụng cụ thể. +Các hàm chuẩn (Standard Function): Là các hàm chức năng riêng mà WinCC hỗ trợ cho người lập trình theo chuẩn của nó. Hàm chuẩn được dùng cho tất cả các ứng dụng. Có thể thay đổi những hàm sẵn có hay tạo ra những hàm chuẩn mới, các thao tác đó được thực hiện bằng ngôn ngữ C. + Các hàm nội (Internal Function): Đây là các hàm chức năng đặc biệt của WinCC. Người lập trình chỉ được sử dụng mà không được phép thay đổi chúng. +Các hàm nền (Action): Các hàm nền (Background Function) được hiểu như các đoạn mã dữ liệu chạy ngầm trong chương trình để xử lý một công việc xác định. Các cấu hình hệ thống cơ bản trong Wincc WinCC có thể hỗ trợ các cấu hình hệ thống từ thấp đến cao ví dụ như trong các cấu hình như sau: - Hệ thống dùng một máy tính ( sing-user system) - Hệ thống điều khiển dùng nhiều máy tính ( multi-user system) - Cấu trúc client / server có dự phòng. - Cấu trúc của hệ thống phân tán với nhiều trạm chủ Về nguyên tắc, toàn bộ nhiệm vụ giám sát có thể chia cho nhiều trạm chủ dựa theo cấu trúc của nhà máy hay dựa theo chức năng của từng bộ phận của hệ thống. CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BẰNG PLC S7 300 VÀ MÔ PHỎNG TRÊN WINCC Hệ thống trạm trộn bê tông được hoàn thành dựa trên sự kết hợp giữa chương trình sử dụng ngôn ngữ lập trình PLC S7-300 và phần mềm mô phỏng WinCC. S7-300 để tạo thao tác vận hành cũng như quy luật hoạt động và điều khiển hệ thống. 3.1 Sơ đồ thuật toán Khi ấn START hệ thống sẽ được khởi động, các bồn chứa cát, đá, xi măng,trộn sẽ được mở. Các nguyên liệu được đưa vào bồn trộn theo thời gian. Băng tải cát hoạt động 8s,băng tải đá hoạt động 12,băng tải xi măng hoạt động 4s. Động cơ trộn Trộn thêm 8s nữa. Bơm nước bắt đầu hoạt động và hoạt động trong vòng 5s thì dừng lại. Động cơ trộn hoạt động thêm 5s sau đó pít tông xả hoạt động. Chương trình lặp đi lặp lại START Nhập số mẻ ĐC TRỘN BT1 CÁT BT XI MĂNG BT2 ĐÁ ĐC NƯỚC ĐC XẢ Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán 3.2 Thống kê đầu vào và ra của mô hình Hình 3.2 Đầu vào và ra trong symbol 3.3 Lập trình hệ thống bằng PLC S7 300 3.4 Kết quả mô phỏng trên win cc Hình 3.3 Mô phỏng trên wincc Một số hình ảnh về mô hình em làm: Hình 3.4 Kết nối mạch với PLC Hình 3.5 Kết nối mạch với PLC KẾT LUẬN Trạm trộn bê tông xi măng là một máy sản xuất vật liệu xây dựng lớn, có cấu tạo, cách thức điều khiển phức tạp. Đồ án tốt nghiệp “Thiết kế và thi công mô hình trạm trộn bê tông dùng PLC S7 300 và mô phỏng trên WIN CC” của em đã thực hiện được những vấn đề sau: Tìm hiểu những trạm trộn bê tông xi măng hiện đang được sử dụng ở Việt Nam hiện nay. Quy trình vận hành, cấu tạo, nguyên lý làm việc và ưu nhược điểm của từng loại trạm. Cơ sở về thiết bị điều khiển và giám sát PLC S7-300 và WinCC. Tính toán thiết kế một số chi tiết của các bộ máy trong trạm. Xây dựng chương trình điều khiển và giám sát trên phần mềm PLC S7-300 và WinCC. Đồ án tốt nghiệp này mới chỉ tìm hiểu được một phần nhỏ của trạm trộn bê tông xi măng, các kết quả thu được chỉ mang tính chất tương đối, đáp ứng phần nào yêu cầu điều khiển được đặt ra. Với kiến thức và thời gian có hạn nên đồ án tốt nghiệp của em không tránh khỏi những sai sót. Do vậy em rất mong nhận được sự góp ý và đánh giá của các quý thầy cô để đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS. Trần Quang Quý, TS. Nguyễn Văn Vịnh, TS. Nguyễn Bính, Máy và thiết bị sản xuất vật liệu xây dựng, Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, Hà Nội 2001. [2] PGS. TS. Phạm Duy Hữu, TS. Ngô Xuân Quảng, Vật liệu xây dựng, Nhà xuất bản [3] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà, Tự động hóa với SIMATIC S7- [4] Trần Thu Hà, Phạm Quang Huy, Tự động hóa trong công nghiệp với Wincc, Nhà xuất 300, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 2007.bản Hồng Đức. [5] Siemens – Manual PLC S7 – 300, SIEMENS. [6] Siemens – WinCC V 7.4, SIEMENS