Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế bộ mụn điều khiển tự động dùng PLC Simatic

Đồ án tốt nghiệp bộ mụn điều khiển tự động: Tìm hiểu về thiết kế, thi công và ứng dụng của hệ thống điều khiển tự động trong nông nghiệp hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Sơn
• Đề tài: Bộ mụn điều khiển tự động PLC
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ HỆ SIMATIC
• 1.1. Giới thiêụ tổng quan về hệ Simatic
• 1.2. Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng PLC
• 1.2.1. Tổng quan về PLC:
• 1.2.1.1. Xuất xứ:
• 1.2.2. Vị trí, nhiệm vụ của bộ PLC trong hệ thống điều khiển:
• 1.2.3. Ưu -nhược điểm của PLC.
• 1.2.4. Cấu trúc PLC:
• 1.3. Ngôn ngữ lập trình phần mềm
• 1.4. Các giải pháp thiết kế điều khiển trên cơ sở hệ SIMATIC
• 1.4.1. Cấu trúc điều khiển tập trung
• 1.4.2. Ưu –nhược điểm của cấu trúc tập trung
• 1.4.2.1. Ưu điểm
• 1.4.2.2. Nhược điểm
• 1.4.3. Cấu trúc điều khiển phân tán
• 1.4.4. Ưu điểm của cấu trúc điều khiển phân tán
• 1.4.5. Các thành phần của một hệ điều khiển phân tán
• 1.4.6. Trạm điều khiển cục bộ
• 1.4.7. Trạm vận hành
• 1.4.8. Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển
• 1.4.9. Bus hệ thống
• 1.4.10. Bus trường và các trạm vào/ ra từ xa
• 1.4.11. Các cấu trúc phân tán
• 1.4.11.1. Vào/ra phân tán
• 1.4.11.2. Bộ điều khiển phân tán
• 1.4.11.3. Cấu trúc lai
• 1.5. Giới thiệu về bộ PLC S7-300:

Tóm tắt

I. Tổng Quan Đồ Án PLC Bộ Mụn Điều Khiển Tự Động Mới

Trong bối cảnh tự động hóa công nghiệp ngày càng phát triển, PLC (Programmable Logic Controller) đóng vai trò then chốt. Đồ án PLC về bộ mụn điều khiển tự động không chỉ là một dự án học thuật mà còn là cơ hội để sinh viên ứng dụng kiến thức vào thực tế. SIMATIC, giải pháp tự động hóa toàn diện từ Siemens, cung cấp nền tảng vững chắc cho việc xây dựng các hệ thống điều khiển phức tạp. PLC Siemens nói riêng và các dòng PLC Allen-Bradley, PLC Mitsubishi nói chung, đều được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ tính linh hoạt và khả năng tích hợp cao. Các ứng dụng PLC trải rộng từ điều khiển đơn giản (ON/OFF) đến điều khiển phức tạp (PID). Điều này cho thấy tầm quan trọng của lập trình PLC trong việc đáp ứng nhu cầu điều khiển quá trình đa dạng. Đồ án PLC giúp sinh viên nắm vững nguyên lý hoạt động PLC, kỹ năng thiết kế hệ thống điều khiển PLC, sử dụng các phần mềm như TIA Portal, CX-Programmer, SIMATIC Manager và hiểu rõ các giao thức truyền thông công nghiệp như Modbus, Profibus, Ethernet/IP. Điều quan trọng là phải hiểu rõ ràng các yêu cầu, phạm vi và mục tiêu của đồ án PLC, để đảm bảo nó có thể giải quyết các vấn đề thực tế liên quan đến tự động hóa công nghiệp, đồng thời đạt được các mục tiêu học tập mong muốn. "Trước đây SIMATIC thường được hiểu một cách đơn thuần là thiết bị diều khiển khả trình. Hiện nay SIMATIC được coi như một giảI pháp bao gồm các yếu tố như: các bộ điều khiển, hệ thống bus truyền thông, phần mềm kỹ thuật, HMI, các thiết bị vào/ra phân tán,IPC…"

1.1. Tổng Quan Hệ Thống Điều Khiển Tự Động PLC SIMATIC

Hệ thống SIMATIC không chỉ là một bộ điều khiển PLC đơn thuần mà là một giải pháp tự động hóa tích hợp, bao gồm phần cứng, phần mềm và dịch vụ. Nó quản lý dữ liệu hiệu quả, giảm thiểu lỗi truyền thông và đảm bảo tính ổn định. Việc cài đặt, cấu hình và lập trình PLC được thực hiện thông qua giao diện thống nhất, giúp kỹ sư dễ dàng quản lý và điều khiển hệ thống. Bộ mụn PLC được thiết kế và sử dụng các thiết bị và hệ thống của các giải pháp tự động hóa được cài đặt lập trình, khởi động thử nghiệm và được điều khiển nhờ sử dụng quá trình tích hợp toàn tổng thể thống nhất và hệ thống được theo module hoá. Tất cả sẽ hoạt động dưới 4 giao diện với người vân hành và các công cụ kỹ thuật thích hợp.

1.2. Lịch Sử và Sự Phát Triển Của PLC trong Tự Động Hóa

PLC ra đời năm 1969, ban đầu chỉ là bộ logic đơn giản. Đến năm 1974, PLC đã sử dụng nhiều bộ vi xử lý. Đến năm 1980 đã phát triển các khối vào ra thông minh nâng cao điều khiển thuận lợi qua viễn thông, nâng cao phát triển phần mềm, lập trình dùng máy tính cá nhân. Ngày nay, PLC đã được cải tiến nhiều và đáp ứng tất cả các yêu cầu điều khiển. Thực chất PLC là một máy tính công nghiệp mà quá trình điều khiển được thể hiện bằng chương trình. PLC thay thế hoàn toàn các phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơ le, công tắc tơ. Chính vì vậy PLC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nó được xem như là một giải pháp điều khiển lý tưởng các quá trình sản xuất. Điều này cho thấy sự phát triển liên tục của PLC để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của tự động hóa công nghiệp. Vị trí, nhiệm vụ của bộ PLC trong hệ thống điều khiển: Trong hệ thống điều khiển PLC là một khâu trung gian có nhiệm vụ xử lý các thông tin đầu vào rồi đưa tín hiệu ra tới các thiết bị chấp hành.

1.3. Ưu Điểm và Nhược Điểm Của PLC Trong Điều Khiển Tự Động

PLC mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ điều khiển rơ le truyền thống, bao gồm giảm chi phí, diện tích lắp đặt, tăng độ tin cậy và tốc độ điều khiển. Tuy nhiên, PLC cũng có nhược điểm là chưa thích hợp cho quá trình điều khiển nhỏ, có giá thành cao và ngôn ngữ lập trình hệ đóng. Ngày nay hầu hết các máy công nghiệp được thay thế các hệ điều khiển rơ le thông thường, sử dụng bán dẫn bằng các bộ điều khiển lập trình. Ưu điểm: Giảm bớt quá trình ghép nối dây vì thế giảm giá thành đầu tư . Giảm diện tích lắp đặt, ít hỏng hóc, làm việc tin cậy, tốc độ quá trình điều khiển nhanh, khả năng chống nhiễu tốt, bảo trì bảo dưỡng tốt hơn vì nó có module chuẩn hoá. Nhược điểm: Chưa thích hợp cho quá trình điều khiển nhỏ (một vài đầu ra) vì thế nếu dùng giá thành rất cao. Ngôn ngữ hệ đóng ( ngôn ngữ của các hãng riêng ) nên khó thay thế.

II. Cách Thiết Kế Sơ Đồ Mạch PLC Cho Bộ Mụn Điều Khiển

Thiết kế sơ đồ mạch PLC là bước quan trọng trong đồ án. Nó bao gồm việc lựa chọn PLC phù hợp (PLC Siemens, PLC Allen-Bradley...), xác định các cảm biến, bộ điều khiển, và thiết bị chấp hành cần thiết. Sơ đồ phải thể hiện rõ kết nối giữa các thành phần này, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Cấu trúc PLC bao gồm CPU, bộ nhớ, cổng vào/ra. Để có thể thực hiện được một chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển và tất nhiên phải có cổng vào/ ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer)và những khối hàm chuyên dụng. Điều quan trọng là thiết kế phải đảm bảo tính an toàn và dễ bảo trì, bảo dưỡng. Cấu trúc của một bộ điều khiển PLC: Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển và tất nhiên phải có cổng vào/ ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer)và những khối hàm chuyên dụng. Các module được chia nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, song tối thiểu phải có một module chính là module CPU. Các module còn lại là các module nhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển, các module chức năng chuyên dụng như các module PID, điều khiển động cơ. Chúng được gọi chung là modul mở rộng.

2.1. Lựa Chọn PLC và Cảm Biến Phù Hợp Cho Đồ Án

Việc lựa chọn PLC và cảm biến phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của đồ án. Nếu yêu cầu hệ thống đơn giản, PLC Mitsubishi có thể là lựa chọn phù hợp. Ngược lại, nếu yêu cầu hệ thống phức tạp, PLC Siemens hoặc PLC Allen-Bradley sẽ là lựa chọn tốt hơn. Các loại module của PLC S7 - 300: Thông thường, để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu đầu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế cũng khác nhau về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành các Module. Module nguồn-PS (Power Supply) Có chức năng cung cấp nguồn cho các module của hệ Simatic S7_300. Ngoài ra, việc lựa chọn cảm biến cần dựa trên loại tín hiệu cần đo (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng...) và độ chính xác yêu cầu.

2.2. Thiết Kế Sơ Đồ Mạch PLC Chi Tiết Với CX Programmer TIA Portal

Sử dụng các phần mềm như CX-Programmer (cho PLC Omron) hoặc TIA Portal (cho PLC Siemens) để thiết kế sơ đồ mạch PLC chi tiết. Sơ đồ phải thể hiện rõ kết nối giữa các cảm biến, PLC, và thiết bị chấp hành. Cần chú ý đến việc chọn đúng loại dây dẫn và đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn điện. Cấu trúc điều khiển tập trung là việc sử dụng 1 thiết bị điều khiển duy nhất để điều khiển toàn bộ quá trình kĩ thuật. Một hệ có cấu trúc tập trung là một hệ thống mà các quá trình đo lường, điều khiển, cảnh báo, lưu trữ số liệu, chuẩn đoán được thực hiện tại trung tâm điều khiển. Ưu điểm: Thích ứng cho các ứng dụng tự động hoá quy mô vừa và nhỏ, điều khiển máy móc và thiết bị khoong mang tính chất quá phức tạp. Nhược điểm: Độ tin cậy thấp do sự phụ thuộc vào một thiết bị điều khiển duy nhất, có thể dùng giải pháp lắp thêm thiết bị điều khiển dự phòng nhưng sẽ dẫn đến chi phí cao.

2.3. Lưu Ý Quan Trọng Khi Thiết Kế Sơ Đồ Mạch PLC An Toàn và Bảo Trì

An toàn là yếu tố hàng đầu khi thiết kế sơ đồ mạch PLC. Đảm bảo rằng hệ thống có các biện pháp bảo vệ chống quá tải, ngắn mạch, và các sự cố khác. Ngoài ra, sơ đồ phải được thiết kế sao cho dễ bảo trì, bảo dưỡng, và sửa chữa khi cần thiết. Trạm điều khiển trung tâm có nhiệm vụ điều khiển, ra nhiệm vụ cho các phần điều khiển riêng biệt sau đó giám sát quá trình đó hoặc trực tiếp điều khiển 1 thiết bị hoặc 1 quá trình nào đó. Ưu điểm của cấu trúc điều khiển phân tán: Độ linh hoạt cao hơn so với cấu trúc điều khiển truyền thống, dễ dàng mở rộng và phát triển hệ thống. Hiện năng và độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới.

III. Phương Pháp Lập Trình PLC Hiệu Quả Cho Bộ Mụn

Lập trình PLC là trái tim của đồ án. Có nhiều ngôn ngữ lập trình PLC, nhưng LAD (Ladder Diagram) và STL (Statement List) là phổ biến nhất. Lựa chọn ngôn ngữ phù hợp với yêu cầu của đồ án và khả năng của người lập trình. Việc lập trình PLC cần tuân thủ các nguyên tắc rõ ràng, dễ hiểu, và dễ bảo trì. Chương trình phải được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo hoạt động đúng và an toàn. 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 chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định tức là không phải vòng quét nào cũng thực hiện trong khoảng thời gian như nhau.Có vòng quét thực hiện lâu có vòng quét thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó.

3.1. Lập Trình PLC Cơ Bản Với LAD Ladder Diagram và STL

LAD là ngôn ngữ đồ họa trực quan, dễ học, phù hợp với người quen với sơ đồ điện. STL là ngôn ngữ văn bản mạnh mẽ, cho phép thực hiện các thao tác phức tạp. Chương trình viết trên LAD hoặc FBD có thể chuyển sang được dạng STL, nhưng ngược lại thì không. Trong STL có nhiều lệnh không có trong LAD hay FBD (hình 3. Cũng chính vì lý do đó, STL được chọn làm ngôn ngữ lập trình minh họa trong đồ án này 1. Ngôn ngữ lập trình STL + Bit logic thường làm việc với RLO Tên vùng + địa chỉ byte + số thứ tự bit. Cần nắm vững các lệnh cơ bản và cách sử dụng chúng để điều khiển các thiết bị chấp hành.

3.2. Sử Dụng Thuật Toán Điều Khiển PID Trong Lập Trình PLC

Thuật toán điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) được sử dụng rộng rãi trong điều khiển quá trình. Nắm vững nguyên lý hoạt động và cách điều chỉnh các tham số của PID để đạt được hiệu suất điều khiển tối ưu. Nhóm lệnh so sánh ACCU1 = = ;< ; <=; > ; >= ; < > ACCU2

3.3. Tối Ưu Hóa Chương Trình PLC Để Tăng Hiệu Suất

Tối ưu hóa chương trình PLC bằng cách sử dụng các hàm thư viện, giảm thiểu số lượng lệnh, và sử dụng các kỹ thuật lập trình hiệu quả. Điều này giúp tăng tốc độ xử lý và giảm thời gian vòng quét. 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 chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình.

IV. Mô Phỏng và Kiểm Tra Mô Hình Điều Khiển PLC Hiệu Quả

Sau khi lập trình PLC, cần tiến hành mô phỏng và kiểm tra mô hình điều khiển PLC để đảm bảo chương trình hoạt động đúng và đáp ứng yêu cầu. Sử dụng các phần mềm mô phỏng như PLCSim hoặc Factory I/O để kiểm tra chương trình trước khi triển khai thực tế. Step 7 là một phần mềm hỗ trợ: • Khai báo cấu hình cứng cho một trạm PLC thuộc họ Simatic S7 – 300. • Xây dựng cấu hình mạng gồm nhiều trạm PLC S7 – 300 cũng như thủ tục truyền thông giữa chúng. • Soạn thảo và cài đặt chương trình điều khiển cho một hoặc nhiều trạm. • Quan sát việc thực hiện chương trình điều khiển một trạm PLC và gỡ rối chương trình. Cần ghi lại kết quả kiểm tra và sửa lỗi nếu có.

4.1. Sử Dụng PLCSim Để Mô Phỏng Chương Trình PLC

PLCSim là công cụ mô phỏng mạnh mẽ của Siemens, cho phép mô phỏng chương trình PLC mà không cần phần cứng thực tế. Sử dụng PLCSim để kiểm tra logic điều khiển, và đảm bảo chương trình hoạt động đúng. Bảng cấu hình cứng phần mềm Step7 cũng xác định luôn cho ta địa chỉ từng module. Ngoài ra, Step7 còn hỗ trợ việc đặt tham số quy định chế độ làm việc cho từng module. Sau khi khai báo xong cấu hình cứng cho một trạm PLC và quay về cửa sổ chính của Step7 ta sẽ thấy trong thư mục Simatic 300 (1) bây giờ có thêm các thư mục con CPU 314, S7 Program (1), Source file, Blocks và tất nhiên ta có thể đổi tên các thư mục đó.

4.2. Kiểm Tra Mô Hình Điều Khiển Với Factory I O

Factory I/O là phần mềm mô phỏng nhà máy ảo, cho phép kết nối với PLC và mô phỏng hoạt động của hệ thống thực tế. Sử dụng Factory I/O để kiểm tra mô hình điều khiển trong môi trường thực tế ảo. Factory I/O mang lại trải nghiệm mô phỏng chân thực và giúp phát hiện các lỗi tiềm ẩn. Step7 hỗ trợ người soạn thảo việc tạo lập khối dữ liệu DB có cấu trúc phù hợp với local block của khối hàm FB được gọi, ngay sau khi viết lệnh gọi một khối hàm FB và nếu khối DB kèm theo chưa được soạn thảo trước, Step7 sẽ sẽ tạo lập một DB mới có cấu trúc phù hợp với local block của khối hàm FB đó.

V. Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp PLC Cấu Trúc và Nội Dung

Báo cáo đồ án tốt nghiệp PLC cần trình bày rõ ràng quá trình thực hiện, kết quả đạt được, và các vấn đề gặp phải. Cấu trúc báo cáo thường bao gồm giới thiệu, cơ sở lý thuyết, thiết kế hệ thống, lập trình PLC, mô phỏng và kiểm tra, kết luận và kiến nghị. Cần tuân thủ các quy định về hình thức trình bày và đảm bảo tính chính xác của thông tin. Trong một Project sẽ có: a. Bảng cấu hình cứng về tất cả các module của từng trạm PLC. Bảng tham số xác định chế độ làm việc cho từng module của mỗi trạm PLC. Các logic block chứa chương trình ứng dụng của từng trạm PLC. Cấu hình ghép nối và truyền thông giũa các trạm PLC. Các màn hình giao diện phục vụ việc giám sát toàn bộ mạng hoặc giám sát từng trạm PLC của mạng.

5.1. Các Phần Quan Trọng Trong Báo Cáo Đồ Án PLC

Giới thiệu cần nêu rõ mục tiêu, phạm vi, và ý nghĩa của đồ án. Cơ sở lý thuyết trình bày các kiến thức nền tảng về PLC, điều khiển tự động, và các thuật toán điều khiển. Thiết kế hệ thống mô tả chi tiết cấu trúc phần cứng và phần mềm của hệ thống điều khiển. Khối OB1 luôn được PLC quét và thực hiện các lệnh từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay lại lệnh đầu tiên. Như vậy toàn bộ các khối chương trình được quản lý chặt chẽ bởi khối OB1.Khai b¸o local block cho FC Local block của khối con được chia thành hai phần: - Phần các biến hình thức để khối con nhận và truyền tham trị với khối mẹ.

5.2. Cách Trình Bày Kết Quả và Đánh Giá Đồ Án PLC

Kết quả trình bày các dữ liệu, biểu đồ, và hình ảnh minh họa cho thấy hiệu quả của hệ thống điều khiển. Đánh giá phân tích các ưu điểm và nhược điểm của hệ thống, và đề xuất các giải pháp cải tiến. Với các hình thức xử lý tín hiệu báo ngắt như vậy thì thời gian vòng quét lớn khi trong vòng quét có nhiều tín hiệu ngắt. Do đó để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển thì tuyệt đối không viết chương trình xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt trong chương trình điều khiển.

VI. Tương Lai Bộ Mụn Điều Khiển PLC Xu Hướng và Phát Triển

Tương lai của bộ mụn điều khiển PLC hứa hẹn nhiều tiềm năng phát triển. Các xu hướng như tích hợp giao diện HMI, sử dụng SCADA, và ứng dụng truyền thông công nghiệp sẽ ngày càng phổ biến. PLC sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong tự động hóa công nghiệp, và đồ án tốt nghiệp là cơ hội để sinh viên đóng góp vào sự phát triển này.

6.1. Tích Hợp Giao Diện HMI và SCADA Trong Bộ Mụn Điều Khiển PLC

Giao diện HMI (Human-Machine Interface) và SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) giúp người vận hành dễ dàng giám sát và điều khiển hệ thống. Việc tích hợp HMI và SCADA vào bộ mụn điều khiển PLC sẽ nâng cao tính trực quan và khả năng quản lý. Trạm vận hành cũng như trạm kĩ thuật được đặt tại phòng điều khiển trung tâm, các trạm vận hành có thể hoạt động song song và độc lập với nhau. Trạm OS thực hiện chức năng giao diện người máy HMI, bao gồm các máy tính cá nhân (PC), bao gồm các hệ thống phụ nối với DCS (như máy in, Card mạng …) Trạm vận hành cho phép hiển thị các hình ảnh của hệ thống, hiển thị các hình ảnh đồ hoạ như lưu đồ công nghệ, các phím điều khiển, hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác điều khiển, các hệ thống hướng dẫn chỉ đạo và hoạt động trợ giúp, tạo quản lí các công thức điều khiển.

6.2. Ứng Dụng Truyền Thông Công Nghiệp Trong Bộ Mụn Điều Khiển PLC

Sử dụng các giao thức truyền thông công nghiệp như Modbus, Profibus, Ethernet/IP để kết nối PLC với các thiết bị khác trong hệ thống. Điều này giúp tăng tính linh hoạt và khả năng mở rộng của bộ mụn điều khiển PLC. Bus hệ thống có chức năng nối mạng các trung tâm điều khiển cục bộ với nhau và các trạm vận hành, trạm kĩ thuật, thường cần có cấu hình dự phòng. Đặc điểm của việc trao đổi thông tin qua bus hệ thống là lưu lượng thông tin lớn dẫn tới yêu cầu tốc độ đường truyền phải tương đối cao, đòi hỏi cả về tính năng thời gian thực nhưng không quá nghiêm ngặt như bus trường, thời gian phản ứng thường chỉ yêu cầu trong phạm vi 0,1s trở lên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động CHƯƠNGI: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ HỆ SIMATIC Giới thiêụ tổng quan về hệ Simatic Trước hết ta sẽ tìm hiểu SIMATIC là gì? SIMATIC _tự động hoá được tích hợp một cách tổng thể. SIMATIC là một giải pháp tự động hoá toàn diện được xây dựng và phát triển bởi hãng Simens. Một hệ thống trong đó kết hợpp tất cả các thiết bị phần cứng và phần mềm nhằm đáp ứng các nhiệm vụ, yêu cầu về tự động hoá khác nhau. Trước đây SIMATIC thường được hiểu một cách đơn thuần là thiết bị diều khiển khả trình.

Hiện nay SIMATIC được coi như một giảI pháp bao gồm các yếu tố như: các bộ điều khiển, hệ thống bus truyền thông, phần mềm kỹ thuật, HMI, các thiết bị vào/ra phân tán,IPC… Vậy SIMATIC là giải pháp tự động hoá tổng thể nhờ các yếu tố nào? -Phần quản lí dữ liệu: Dữ liệu chỉ cần đưa vào một lần và trở thành thông tin chung cho toàn nhà máy.Điều này cho phép hạn chế những lỗi truyền thông và sự bất ổn định trước đây. -Phần cài đặt cấu hình và lập trình: Tất cả các thiết bị và hệ thống của các giải pháp tự động hoá được cài đặt lập trình, khởi động thử nghiệm và được điều khiển nhờ sử dụng quá trình tích hợp toàn tổng thể thống nhất và hệ thống được theo module hoá. Tất cả sẽ hoạt động dưới 4 giao diện với người vân hành và các công cụ kỹ thuật thích hợp. Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng PLC 1.

Tổng quan về PLC: 1. Xuất xứ: PLC viết tắt của từ Progammable Logic Control, là thiết bị điều khiển logic khả trình xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1969 tại một hãng ôtô củaMỹ. Bắt đầu chỉ đơn giản là một bộ logic thuần tuý ứng dụng để điều khiển các quá trình công nghệ, chủ yếu là điều khiển ON/OFF giống như hệ thống rơle, công tắc tơ thông thường mà không điều khiển chất lượng hệ. Từ khi xuất hiện PLC đã được cải tiến với tốc độ rất nhanh.

- năm 1974 PLCđã sử dụng nhiều bộ vi xử lý như mạchđịnh thời gian, bộ đếm dung lượng nhớ. - Năm 1976 đã giới thiệu hệ thống đưa tín hiệu vào từ xa. - Năm 1977 đã dùng đến vi xử lý. - Năm 1980 PLC phát triển các khối vào ra thông minh nâng cao điều khiển thuận lợi qua viễn thông, nâng cao phát triển phần mềm, lập trình dùng máy tính cá nhân.

4 Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động - Năm 1985 PLC đã được ghép nối thành mạng PLC. Ngày nay PLCđã được cải tiến nhiều và đáp ứng tất cả các yêu cầu điều của khiển như: Điều khiến số lượng (ON/OFF). Điều khiển chất luợng( thực hiện các mạch vòng phản hồi: U, I,ω, S). Thực chất PLC là một máy tính công nghiệp mà quá trình điều khiển được thể hiện bằng chương trình.

PLC thay thế hoàn toàn các phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơ le, công tắc tơ. Chính vì vậy PLC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nó được xem như là một giải pháp điều khiển lý tưởng các quá trình sản xuất. Vị trí, nhiệm vụ của bộ PLC trong hệ thống điều khiển: Trong hệ thống điều khiển PLC là một khâu trung gian có nhiệm vụ xử lý các thông tin đầu vào rồi đưa tín hiệu ra tới các thiết bị chấp hành. Ưu -nhược điểm của PLC.

Ngày nay hầu hết các máy công nghiệp được thay thế các hệ điều khiển rơ le thông thường, sử dụng bán dẫn bằng các bộ điều khiển lập trình. Ưu điểm: Giảm bớt quá trình ghép nối dây vì thế giảm giá thành đầu tư. Giảm diện tích lắp đặt, ít hỏng hóc, làm việc tin cậy, tốc độ quá trình điều khiển nhanh, khả năng chống nhiễu tốt, bảo trì bảo dưỡng tốt hơn vì nó có module chuẩn hoá. Nhược điểm: Chưa thích hợp cho quá trình điều khiển nhỏ (một vài đầu ra) vì thế nếu dùng giá thành rất cao.

Ngôn ngữ hệ đóng ( ngôn ngữ của các hãng riêng ) nên khó thay thế. Cấu trúc PLC: Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control), viết tắt thành PLC, là thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số. Như vậy với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính). Toàn bộ chương trình được lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình (khối OB, FC hay FB) và được thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét (scan).

5 Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động Hình 1.1: Cấu trúc của một bộ điều khiển PLC Để có thể thực hiện được một chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển và tất nhiên phải có cổng vào/ ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer)và những khối hàm chuyên dụng. Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không được cứng hoá về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành các module.

Số các module được chia nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, song tối thiểu phải có một module chính là module CPU. Các module còn lại là các module nhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển, các module chức năng chuyên dụng như các module PID, điều khiển động cơ.Chúng được gọi chung là modul mở rộng. Tất cả các module được gá trên những thanh ray (Rack). 6 Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động Hình1.2: Câú hình một thanh rack của một PLC S7-300 1.

Ngôn ngữ lập trình phần mềm Phần mềm PLC có các loại ngôn ngữ khác nhau như: + Danh sách lệnh: STL. + Sơ đồ bậc thang: LAD DE R. + Sơ đồ khối chức năng: Block Function. + Ngôn ngữ bậc cao.Các giải pháp thiết kế điều khiển trên cơ sở hệ SIMATIC 1.

Cấu trúc điều khiển tập trung MTĐK Phòng điều khiển I/O trung tâm … _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Hiện trường S A S A S A Phân đoạn 1 Phân đoạn2 Phân đoạn n 7 Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động Hình 1.3: cấu trúc điều khiển tập trung Khái niệm điều khiển tập trung là việc sử dụng 1 thiết bị điều khiển duy nhất để điều khiển toàn bộ quá trình kĩ thuật. Một hệ có cấu trúc tập trung là một hệ thống mà các quá trình đo lường, điều khiển, cảnh báo, lưu trữ số liệu, chuẩn đoán được thực hiện tại trung tâm điều khiển. Trung tâm điều khiển có thể là các bộ điều khioển số trực tiếp, máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị điều khiển khả trình, ta sẽ dùng thống nhất bằng thuật ngữ thiết bị điều khiển. Hệ thống điều khiển tập trung bao gồm các thiết bị điều khiển, các bộ thu thập có chức năng thu nhận tín hiệu trường đưa lên máy tính trung tâm.

Các quá trình thu nhận tín hiệu, xử lí thông tin, giám sát quá trình điều khiển đều do trung tâm quyết định. Thông thường thiết bị điều khiển trung tâm cách xa hiện trường. Các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp, điểm - điểm vào thiết bị điều khiển tập trung qua các cổng vào/ra của nó. Thiết bị điều khiển tập trung ngoài việc thu nhận tín hiệu đo và đưa ra các quyết định điều khiển còn đảm nhận rất nhiều các chức năng khác như chức năng nhận dạng, chuẩn đoán quá trình, lưu giữ số liệu… Ưu –nhược điểm của cấu trúc tập trung Ưu điểm Thích ứng cho các ứng dụng tự động hoá quy mô vừa và nhỏ, điều khiển máy móc và thiết bị khoong mang tính chất quá phức tạp.

Cấu trúc đơn giản,dễ thực hiện, điểm đáng chú ý là sự tập trung chức năng xử lí thông tin trong một thiết bị điều khiển duy nhất, phát huy được điểm mạnh của bộ điều khiển Nhược điểm Độ tin cậy thấp do sự phụ thuộc vào một thiết bị điều khiển duy nhất, có thể dùng giải pháp lắp thêm thiết bị điều khiển dự phòng nhưng sẽ dẫn đến chi phí cao. Công việc nối dây phức tạp,giá thành cao. Độ linh hoạt không cao, việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn. Phạm vi ứng dụng hạn hẹp.

Cấu trúc điều khiển phân tán 8 Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoàng Sơn - Đỗ Thị Thà LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Đồ án tốt nghiệp Bộ mụn điều khiển tự động MTĐK Phòng điều khiển trung tâm Bus hệ thống I/O I/O A S A S A S Quá trình kĩ thuật Hình 1.4: Cấu trúc điều khiển phân tán Do cấu trúc tập trung có những hạn chế nên một dây truyền sản xuất thường được chia thành nhiều phân đoạn khác nhau, sử dụng nhiều thiết bị điều khiển, mỗi phân đoạn được điều khiển bằng 1 hoặc nhiều thiết bị cục bộ. Các thiết bị cục bộ này được đặt rải rác tại các phòng điều khiển của từng phân đoạn, phân xưởng, ở vị trí không xa với quá trình kĩ thuật, bên cạnh đó quá trình điều khiển tổng hợp cần sự phối hợp điều khiển giữa các máy tính điều khiển. Các máy tính được nối mạng với nhau và với một hoặc nhiều máy tính giám sát trung tâm qua bus hệ thống. Một hệ thống như vậy được gọi là hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán hay còn gọi là hệ điều khiển phân tán (DCS).

Hệ thống bao gồm các module phân tán có chức năng điều khiển phân tán được liên kết với nhau theo một hệ thống mạng tuân theo các giao thức truyền thông công nghiệp.