CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.5 Nội dung của đề tài Các chương còn lại bao gồm: Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương này trình bày yêu cầu của hệ thống cần thiết kế, các vấn đề liên quan đến công nghệ của hệ thống. Chương 3: Thiết kế phần cứng. Chương này trình bày các thiết bị được sử dụng ở hệ thống, tính toán thiết kế và đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống.
Chương 4: Thuật toán điều khiển. Chương này trình bày các giải thuật được sử dụng trong hệ thống và xây dựng giao diện người dùng GUI trên màn hình HMI để vận hành và giám sát. Chương 5: Vận hành thực tế và đánh giá hệ thống. Chương này trình bày những kết quả đạt được về phần cứng lẫn phần mềm cũng như hoạt động của hệ thống trên thực tế.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Chương này trình bày về kết luận của đề tài đã thực hiện và các hướng có thể phát triển của đề tài. ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái quát về PLC 2.1 Tổng quan về PLC PLC là thiết bị cho phép lập trình thực hiện các thuật toán điều khiển logic. PLC có khả năng thay đổi thuật toán điều khiển tùy biến thông qua một ngôn ngữ lập trình.
Do vậy, nó cho phép thực hiện linh hoạt tất cả các bài toán điều khiển. Có nhiều ngôn ngữ để lập trình cho PLC như LAD, FBD, STL và nhóm đang sử dụng ngôn ngữ LAD cho đề tài lần này. Nguyên lý hoạt động của PLC: - PLC nhận thông tin từ các cảm biến và các thiết bị đầu vào được kết nối, xử lý dữ liệu và kích hoạt đầu ra dựa trên các tham số đã được lập trình trước đó. - Các hoạt động bên trong PLC được điều khiển bởi CPU, nó sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ và thực hiện từng lệnh trong chương trình được lập trình trước đó.
- Tùy thuộc vào đầu vào và đầu ra, bộ điều khiển PLC, có thể theo dõi và ghi lại dữ liệu thời gian chạy như năng suất máy và nhiệt độ vận hành, tự khởi động và dừng quy trình, tạo báo thức nếu máy gặp trục trặc và hơn thế nữa… - Bộ điều khiển lập trình PLC là một giải pháp điều khiển linh hoạt và mạnh mẽ, có thể thích ứng với hầu hết ứng dụng nào [1]. 1 Nguyên lý hoạt động của PLC ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2 Ưu điểm và nhược điểm của PLC Bảng 2. 1 Ưu và nhược điểm của PLC Ưu điểm Nhược điểm − Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý − Giá thành phần cứng cao: Vì đây là muốn, thích hợp để lập trình cho nhiều một thiết bị công nghệ cao, tự động ứng dụng khác nhau. hóa cao nên giá trị sẽ cao hơn nhiều so − Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc với các lại thiết bị rơ le ON/OFF thông bảo quản, sửa chữa và thay thế thường.
− Độ tin cậy cao, chuẩn hóa được thiết bị. − Một số hãng phải mua thêm phần mềm − Thực hiện được các thuật toán phức tạp để lập trình: Các loại PLC sẽ được và độ chính xác cao. hãng thiết kế riêng chính vì thế chúng − Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ sẽ có sự khác biệt trong khâu lập trình dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở hệ thống. Một số hãng sẽ kèm theo rộng chức năng khác phần mềm, tuy nhiên cũng sẽ có một − Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn số hãng bán kèm để chúng ta sử dụng.
làm việc tin cậy trong môi trường công − Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ nghiệp. chuyên môn cao: hầu hết những người − Giao tiếp được với các thiết bị thông sử dụng được PLC phải được đào tạo minh khác như: máy tính, nối mạng rất bài bản. Họ phải được trang bị các truyền thông với các thiết bị khác. kiến thức liên quan đến từng loại PLC − Sử dụng tốt trong các loại môi trường của từng hãng khác nhau.
Bởi vì mỗi như nhiệt độ, độ ẩm cao, dòng điện dao hãng sẽ có phần mềm lập trình riêng động, … nên để đào tạo thì cần một khoảng thời gian để có thể đảm nhiệm được công việc này. Nếu chuyên môn không cao sẽ dẫn dên lập trình sai, gây hư hỏng và tổn thất trang thiết bị và xảy ra các sự cố đáng tiếc [2].3 Vai trò ứng dụng của PLC Trong ngành công nghiệp hiện đại, bộ lập trình PLC đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là công nghiệp sản xuất. Với nhiều ưu điểm vượt trội về giá thành lẫn hiệu suất, ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PLC được ứng dụng rộng rãi, phổ biến trong các tủ bảng điện tự động hóa của các hệ thống như: cấp nước, nhà máy xử lý nước thải, sản xuất chế biến, đóng gói, giám sát dây chuyền sản xuất, công nghiệp nặng. Cụ thể PLC là dùng trong công nghệ điều khiển cánh tay Robot để gắp phôi từ băng tải bỏ qua bàn gia công của máy CNC, hay điều khiển Robot đưa đổ vật liệu vào băng tải, hoặc thực hiện các việc đóng hộp, dán tem nhãn, hệ thống báo động… Ngoài ra, Bộ lập trình PLC còn được dùng trong các ứng dụng giám sát quá trình trong nhà máy mạ, các dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử trong các nhà máy, dây chuyền kiểm tra chất lượng sản phẩm… bằng các công tắc hành trình hoặc các cảm biến.
2 Một số ứng dụng của PLC trong công nghiệp 2.2 Dòng PLC S7-1200 AC/DC/RL 1214C Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động. Sự kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau. Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ. Sau khi người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được yêu cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng.
CPU giám sát các ngõ vào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng, có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc truyền thông với các thiết bị thông minh khác. ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. 3 Dòng PLC S7-1200 Có nhiều phiên bản trong dòng PLC S7-1200: Bảng 2. 2 Các phiên bản CPU của dòng S7-1200 STT Dòng CPU Đặc điểm 1 CPU 1211C Dòng cơ bản nhất trong họ S7-1200.
2 CPU 1212C Nhiều bộ nhớ, IO tích hợp và nhiều khả năng mở rộng hơn so với CPU 1211C. 3 CPU 1214C Nhiều bộ nhớ hơn, nhiều IO tích hợp hơn so với CPU 1212C và khả năng mở rộng tối đa. 4 CPU 1215C Nhiều bộ nhớ hơn, một cổng Ethernet bổ sung và các đầu ra tương tự tích hợp so với CPU 1214C. 5 CPU 1217C Nhiều bộ nhớ hơn, bộ đếm nhanh hơn CPU 1215C.
6 CPU 1212 FC Dòng cơ bản của họ Fail-safe S7-1200. 7 CPU 1214 FC Nhiều bộ nhớ hơn và nhiều khả năng mở rộng hơn so với CPU 1212 FC. 8 CPU 1215 FC Nhiều bộ nhớ hơn, thêm 1 cổng Ethernet và các đầu ra analog so với CPU 1214 FC. Trong phạm vi đề tài này, nhóm sử dụng PLC S7-1200 vì những lý do sau: - S7-1200 ra đời năm 2009 dùng để thay thế dần cho S7-200.
So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội hơn. ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT - S7-1200 được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200. - S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP. - PLC S7-1200 CPU có bộ nhớ làm việc 100KB work memory.
- PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài để mở rộng chức năng của CPU. Ngoài ra, có thể cài đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ giao thức truyền thông khác. - S7-1200 có các loại module mở rộng như: Communication module (Module giao tiếp CP). 4 Cấu trúc ngõ vào ngõ ra của PLC S7-1200 2.3 Ngôn ngữ LADDER Ngôn ngữ LAD cho phép viết chương trình tương tự như mạch tương đương của sơ đồ nối dây mạch điện.
Chương trình LAD cho phép CPU mô phỏng di chuyển của dòng điện từ nguồn, qua một loạt các điều kiện ngõ vào để tác động đến ngõ ra [4]. Các lệnh khác nhau được biểu diễn bằng các ký hiệu đồ họa, gồm các dạng cơ bản: − Tiếp điểm: Biểu diễn các điều kiện logic ngõ vào, như các công tắc, nút nhấn, trạng thái của cảm biến, …gồm (tiếp điểm thường đóng và thường hở) ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT − Cuộn dây (coil): biểu diễn cho kết quả logic ngõ ra, như đèn, động cơ, cuộn dây của relay, … − Hộp (box): Biểu tượng cho các hàm khác nhau, nó hoạt động khi có dòng điện chạy đến hộp. − Các dạng hàm thường được biểu diễn bằng hộp box gồm các bộ đếm thời gian (Timer), bộ đếm (Counter) và các hàm toán học,. Cuộn dây và các hàm phải mắc đúng chiều toán học.
5 Ngôn ngữ LADDER 2.4 Nguyên lý hoạt động của biến tần Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều hoặc xoay chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số và điện áp có thể điều chỉnh. Nguyên lý hoạt động của biến tần: Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) [5].
6 Nguyên lý hoạt động của biến tần Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp – tần số là không đổi.