Đề tài Thiết kế thống điều khiển và giám sát mức nước và áp suất của một nồi hơi

Nội dung text: Đề tài Thiết kế thống điều khiển và giám sát mức nước và áp suất của một nồi hơi

1. BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN MÔN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI SỐ 2 : THIẾT KẾ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MỨC NƯỚC VÀ ÁP SUẤT CỦA MỘT NỒI HƠI Hà Nội ngày 19 tháng 6 năm 2017 Lời nói đầu  Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới, chúng ta đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Page 1
2. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần tăng hiệu quả lao động của con người. Tự động hóa đang trở thành một nghành khoa học đa nhiệm vụ. Tự động hóa đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của nghành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày. Một trong những sản phẩm tiên tiến của nó là PLC. Ứng dụng rất quan trọng của nghành công nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giám sát các hệ thống với những thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế cao. Xuất phát từ ứng dụng đó, chúng em xin phép thiết kế một mạch ứng dụng của PLC đó là thiết hệ hệ thống điều khiển và giám sát mức nước và áp suất của một nồi hơn trên S7 - 300. MỤC LỤC PHẦN 1:CƠ SỞ LÍ THUYẾT 5 1.1. Mô tả công nghệ và phân tích hệ thống 5 1.1.1.Mô tả công nghệ. 5 1.1.2.Phân tích hệ thống. 6 Page 2
3. 1.2.Phương pháp đo 6 1.2.1. Đo áp suất 6 1.2.2. Các phương pháp đo mức chất lỏng: 7 1.3.Tìm hiểu về PLC 9 1.3.1.Khái quát chung về PLC S7-300 9 1.3.2.Các Module 10 1.3.2.1. Cách thức PLC thực hiện chương trình 15 1.3.2.2. Module analog 16 1.3.3 Tìm hiểu về HMI 19 1.3.3.1 Tìm hiểu về HMI 19 1.3.3.2 Tìm hiểu về WINCC 21 2.Các thành phần cơ bản của WinCC 22 3.Nguyên tắc hoạt động của WinCC . 23 4.Quy trình tạo một project trên WinCC 23 CHƯƠNG II : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 26 2.1. Xây dựng sơ đồ khối 26 2.2. Lựa chọn thiết bị 27 2.2.1. Lựa chọn cảm biến áp suất 27 2.1.2. Lựa chọn cảm biến đo mức 29 2.1.3. Lựa chọn PLC 31 2.1.4. Lựa chọn biến tần 35 2.1.5. Lựa chọn động cơ bơm nước 37 2.3. Xây dựng lưu đồ thuật toán 38 2.5. Xây dựng phần mềm 46 Page 3
4. 2.6. Thiết kế giao diện HMI 51 3.1 – Kết quả đạt được 52 3.2-Hạn chế tồn tại và phương hướng khắc phục 52 Page 4
5. PHẦN 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1. Mô tả công nghệ và phân tích hệ thống. 1.1.1.Mô tả công nghệ. - Khởi động hệ thống , ấn START hệ thống khởi động. Đèn RUN sáng báo hệ thống đang làm việc. Mức nước [0-0,5]m van M mở và đèn LAL sáng báo mức nước thấp nước được cấp vào nồi hơi, khi mức nước lớn hơn 0,5m thì đèn LAL tắt, nước tiếp tục được bơm vào nồi hơi. Khi mức nước tăng dần đến 1,5m thì máy bơm hoạt động. Khi mức nước vượt quá 2,5m thì đèn HAL sáng báo hiệu nước ở mức cao van M đóng lại, ngừng cấp nước cho nồi hơi. Áp suất trong nồi tăng dần cho đến khi áp suất trong nồi hơi lớn hơn 25bar thì đèn HAP sáng cảnh báo áp suất cao. Ấn STOP hệ thống ngừng hoạt động. Kết thúc quá trình làm việc. Page 5
6. Hình 1.1: hình ảnh hệ thống 1.1.2.Phân tích hệ thống. - Các thông số đo của hệ thống + Đo áp suất [0-30]bar + Đo mức nước [0-3]m - Đối tượng điều khiển và giám sát là các nút ấn & các đèn + START: Khởi động hệ thống +STOP : Dừng hệ thống +RUN: Hệ thống hoạt động +LAL : Đèn báo mức thấp( Nhỏ hơn 0,5m), +HAL : Đèn báo mức cao( Lớn hơn 2,5m) +HAP: Đèn báo áp suất cao( Lớn hơn 25bar) 1.2. Phương pháp đo 1.2.1. Đo áp suất - Phương pháp đo áp suất phụ thuộc vào dạng áp suất 1. Đo áp suất tĩnh - Đo trực tiếp chất lưu thông qua 1 lỗ khoan trên thành bình - Đo gián tiếp thông qua biến dạng của thành bình dưới tác động của áp suất 2. Đo áp suất động - Dựa theo nguyên tắc chung là đo hiệu suất tổng và áp suất tĩnh - Có thể đo bằng cách đặt áp suất tổng lên màng trước, đặt áp suất tĩnh lên màng sau của màng đo, tín hiệu đưa ra là đọ chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh Page 6
7. - Áp suất có đơn vị đo là pascal (Pa) - Trong công nghiệp còn dùng đơn vị đo là bar (1bar= 10^5 Pa) Công thức xác định : - dF: lực tác dụng -dS: diện tích thành ống chịu lực tác dụng. -Trong đề tài này. Chúng em đo áp suất bằng cách sử dụng Cảm Biến áp suất để đo. Với ưu điểm đơn giản, dễ dàng sử dụng, hơn nữa có thể bảo dưỡng định kì. Chất lượng đảm bảo. 1.2.2. Các phương pháp đo mức chất lỏng: -Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng. Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bình chứa. Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không. + Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu: - Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện. - Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu. - Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu. Một số loại cảm biến đo mức chất lưu * Cảm biến độ dẫn Các cảm biến loại này dùng để đo mức các chất lưu có tính dẫn điện (độ dẫn điện ~ 50μScm -1). Trên hình 1.2 giới thiệu một số cảm biến độ dẫn đo mức thông dụng. Page 7
8. Hình 1.2: Cảm biến độ dẫn a, Cảm biến hai điện cực b, Cảm biến một điện cực c, Cảm biến phát hiện mức Sơ đồ cảm biến hình 1.2a gồm hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng dẫn điện. Trong chế độ đo liên tục, các điện cực được nối với nguồn nuôi xoay chiều ~ 10V (để tránh hiện tượng phân cực của các điện cực). Dòng điện chạy qua các điện cực có biên độ tỉ lệ với chiều dài của phần điện cực nhúng chìm trong chất lỏng. Sơ đồ cảm biến hình 1.2b chỉ sử dụng một điện cực, điện cực thứ hai là bình chứa bằng kim loại. Sơ đồ cảm biến hình 1.2c dùng để phát hiện ngưỡng, gồm hai điện cực ngắn đặt theo phương ngang, điện cực còn lại nối với thành bình kim loại,vị trí mỗi điện cực ngắn ứng với một mức ngưỡng. Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng điện trong mạch thay đổi mạnh về biên độ. * Cảm biến tụ điện Khi chất lỏng là chất cách điện, có thể tạo tụ điện bằng hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng hoặc một điện cực kết hợp với điện cực thứ hai là thành bình chứa nếu thành bình làm bằng kim loại. Chất điện môi giữa hai điện cực chính là chất lỏng ở phần điện cực bị ngập và không khí ở phần không có chất lỏng. Việc đo mức chất lưu được chuyển thành đo điện dung của tụ điện, điện dung này thay đổi theo mức chất lỏng trong bình chứa. Điều kiện để áp dụng Page 8
9. phương pháp này hằng số điện môi của chất lỏng phải lớn hơn đáng kể hằng số điện môi của không khí (thường là gấp đôi). Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một điện cực kim loại bên ngoài có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện môi còn chất lưu đóng vai trò điện cực thứ hai. 1.3.Tìm hiểu về PLC Theo yêu cầu cầu đề tài có sử dụng winCC để mô phỏng hệ thống. Mặc dù gần 2 năm quá chúng em được tìm hiểu về PLC S7-200. Tuy nhiên do Win CC không tương thích với loại PLC S7-200. Do vậy chúng em quyết định sử dụng loại PLC S7-300. Chúng tương thích với Win CC trong quá trình mô phỏng. Đây cũng là cơ hội cho chúng em biết hơn về các loại PLC. 1.3.1.Khái quát chung về PLC S7-300 - Cấu trúc PLC S7-300 PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình. PLC là 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 PLC khác hoặc với máy tính). Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình ( Khối OB, FC hoặc FB) và được thực hiện theo chu kỳ vòng quét. Page 9
10. Hình 1.3 Nguyên lí chung về cấu trúc của một bộ điều khiển logic khả trình (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 (hình 1.4). 1.3.2.Các Module 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. Page 10
11. 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). Hình 1.4. Cấu trúc một thanh Rack của PLC S7-300 Theo yêu cầu công nghệ của đề tài. Trong hệ thống cần đo các đại lượng : -Áp suất: P(bar) -Mức nước: H(m) Do đó ta cần chọn các module sau: Module CPU, Module nguồn – PS ( Power supply), Module ghép nối IM (Interface module), Module tín hiệu SM (Signal module). Module truyền thông (được sử dụng khi giao tiếp với máy tính ) Page 11
12. 1. Module CPU Hình 1.5. Hình ảnh module CPU 312C Modul CPU là modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS 485) và có thể còn có một vài cổng vào/ra số. Các cổng vào/ra số có trên modul CPU được gọi là cổng vào/ra onboard. Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau. Nói chung chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như modul 312, modul 314, modul 315 Những modul cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM (Intergrated Function Module). Ví dụ modul 312 IFM, modul 314 IFM Page 12
13. Ngoài ra còn có các loại modul CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. Tất nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những phần mềm tiện dụng thích hợp cũng đã được cài sẵn trong hệ điều hành. Các loại CPU được phân biệt với những modul CPU khác bằng thêm cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi. Ví dụ modul 315-DP, 315-2DP Hình 1.6 Hình ảnh thực tế các module mở rộng của PLC S7-300 2. Module nguồn – PS ( Power supply) Có chức năng cung cấp nguồn cho các module của hệ Simatic S7_300. Module nguồn có 3 loại : 2A, 5A, 10A *PS 307 2A dòng ra 2A Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz) *PS 307 5A dòng ra 5A Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz) *PS 307 10A dòng ra 10A Page 13
14. Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz) 3. Module ghép nối IM (Interface module) Modul ghép nối đây là loại modul chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các modul mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản ly chung bởi modul CPU. Thông thường các modul mở rộng được gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack. Trên mỗi một rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 modul mở rộng (không kể modul CPU, modul nguồn nuôi. Một modul CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp được với nhiều nhất 4 Racks và các Racks này phải được nối với nhau bằng modul IM 4. Module tín hiệu SM (Signal module) SM (Signal modul): modul mở rộng cổng tín hiện vào/ra bao gồm: + DI (digital input): modul mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại module. + DO (digital output): modul mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại modul + DI/DO (digital input/digital output): modul mở rộng các cổng vào/ra số. Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8vào/8ra, 16vào/16 ra theo từng loại modul. + AI (analog input): Modul mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản chất chúng chính là các bộ chuyển đổi tương tự số12 bit (AD), tức là mỗi tín hiệu tương tự được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bit. Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ từng loại modul. Page 14
15. + AO (analog output): Modul mở rộng các cổng ra tương tự. Về bản chất chúng chính là các bộ chuyển đổi số tương tự (DA). Số các cổng ra tương tự có thể là 2 hoặc 4 tuỳ từng loại modul. + AI/AO (analog input/analog output): Modul mở rộng các cổng vào/ra tương tự. Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4vào/4 ra tuỳ từng loại modul. 5. Module truyền thông CP ( Communication module) Phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính. 1.3.2.1. Cách thức PLC 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 chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình.Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 (Block End). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đếm ảo Q tới các cổng ra số, vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm soát lỗi. Page 15
16. Truyền thông và kiểm tra nội Chuyển dữ liệu từ bộ VÒNG cổng vào tới I QUÉT Chuyển dữ liệu từ Q tới cổng ra Thực hiện chương trình Hình 1.7 vòng quét 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. Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển tới các đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét. Nói cách khác thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn thì tính thời gian thực của chương trình càng cao 1.3.2.2. Module analog Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc xử lý các tín hiệu số Page 16
17. Analog input: Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D). Nó chuyển tín hiệu tương tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra. Dùng để kết nối các thiết bị đo với bộ điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ. Analog output : Analog output cũng là một phần của module analog. Thực chất nó là một bộ biến đổi số - tương tự (D/A). Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào thành tín hiệu tương tự ở đầu ra. Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đo tương tự. Chẳng hạn như điều khiển Van mở với góc từ 0- 100%, hay điều khiển tốc độ biến tần 0-50Hz. Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc dòng điện. Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng . . . Vì vậy người ta cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này về tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến. Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input và tín hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của công nghiệp.Có 2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện. - Điện áp : 0 – 10V, 0-5V, 5V - Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA, 10mA. Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn . Vì vậy người ta cần phải dùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng về chuẩn công nghiệp. Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộ cảm biến hoàn chỉnh , thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn là thiết đo và chuyển đổi đo ( bộ transducer). Page 17
18. Module analog Thiết bị cảm biến 0 – 10V Thiết bị chuyển Analog Input Đầu đo đổi Tín hiệu vào 4-20 mA ( A/D) không điện Các con số Analog Output Tín hiệu ra tương tự ( D/A) 0 – 10 V Các con số 4 – 20 mA Hình 1.8. Quá trình chuyển đổi ADC (analog to digital conveter) SM 334 là 1 module tương tự gồm có 4AI và 2AO 12bit có tích hợp bộ chuyển đổi ADC ( analog to digital converter) Hình 1.9. Hình ảnh module analog SM331 Page 18
19. Hình 1.10. Sơ đồ khối của Module analog SM331 1.3.3 Tìm hiểu về HMI 1.3.3.1 Tìm hiểu về HMI HMI là từ viết tắt của Human-Machine-Interface, có nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành thiết kế với máy móc thiết bị. Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao tiếp” với một máy móc thì đó là một HMI. Cảm ứng trên lò viba của bạn là một HMI, hệ thống số điều khiển trên máy giặt, bảng hướng dẫn lựa chọn phần mềm hoạt động từ xa trên TV đều là HMI, Các ưu điểm của HMI: Ưu điểm lớn nhất là trong các máy tính nhúng có hình dạng nhỏ gọn giúp nó thay thế hiển thị 2 đường trên một công cụ thông thường hay trên bộ truyền với một HMI có đầy đủ tính năng. Page 19
20. Người điều khiển làm việc trong không gian rất hạn chế tại sản nhà máy. Đôi khi không có chỗ cho họ, các công cụ, phụ tùng và HMI cỡ lớn nên họ cần có HMI có thể di chuyển được. - Một số hệ thống HMI Hình 1.10. HMI điều khiển trực tiếp 1 bộ điều khiển thông qua PROFIBUS Hình 1.11HMI điều khiển nhiều bộ điều khiển thông PROFIBUS Page 20
21. Hình 1.12HMI kết nối với máy chủ thông qua đường truyền LAN(TCP/IP) 1.3.3.2 Tìm hiểu về WINCC WinCC (Window Control Center) là phần mềm tạo dựng hệ SCADA và HMI rất mạnh của hãng SIEMENS hiện đang được dùng phổ biến trên thế giới và Việt Nam. WinCC hiện có mặt trong rất nhiều lĩnh vực như sản xuất xi măng, giấy, théo, dầu khí, WinCC là một hệ thống điều khiển trung lập có tính công nghiệp và có tính kỹ thuật, hệ thống màn hình hiển thị đồ họa và điều khiển nhiệm vụ trong sản xuất và tự động hóa quá trình. Hệ thống này đưa ra những Page 21
22. module chức năng tích hợp công nghiệp cho hiển thị đồ họa, những thông báo, những lưu trữ và những báo cáo. Nó là một trình điều khiển mạnh, nhanh chóng cập nhật các ảnh và những chức năng lưu trữ an toàn, bảo đảm một tính lợi ích cao đem lại cho người vận hành một giao diện trực quan dễ sử dụng, có khả năng giám sát và điều khiển quá trình công nghệ theo chế độ thời gian thực. Ngoài những chức năng hệ thống, WinCC đưa ra những giao diện mở cho các giải pháp của người dùng. Những giao diện này làm cho nó có thể tích hợp trong những giải pháp tự động hóa phức tạp, các giải pháp cho công ty mở. Sự truy nhập tới cơ sở dữ liệu tích hợp bởi những giao diện chuẩn ODBC và SQL, sự lồng ghép những đối tượng và những tài liệu được tích hợp bởi OLE 2.0 và OLE Custom Controls (OCX). Những cơ chế này làm cho WinCC là một đối tác dễ hiểu, dễ truyền tải trong môi trường Windows. Để xây dựng được giao diện HMI bằng phần mềm WinCC thì cấu hình phần cứng phải bao gồm thiết bị PLC S7-xxx và cấu hình phần cứng tối thiểu của máy tính cho việc sử dụng phần mềm WinCC và các thiết bị khác phục vụ cho việc truyền thông. 2. Các thành phần cơ bản của WinCC - Communications Drivers : là các driver giúp WinCC có thể thực hiện giao tiếp với các thiết bị theo các tiêu chuẩn khác nhau, ví dụ như theo chuẩn mạng profibus, chuẩn mạng modbus - Graphics Designer : là công cụ giúp người dùng tạo các giao diện tương thích với hệ thống thực tế, từ đó người dùng có thể thực hiện các thao tác điều khiển các thiết bị của hệ thống đó . - Tag Logging : là công cụ thực hiện việc lấy dữ liệu từ các quá trình thực thi, chuẩn bị để hiển thị và lưu trữ các dữ liệu . Từ những dữ liệu Page 22
23. trên giúp thiết lập các thông báo, các bảng, biểu hoàn chỉnh về giá trị của quá trình . - Alarm Logging : đây là công cụ giúp cung cấp các thông tin về các lỗi phát sinh và trạng thái hoạt động toàn diện của hệ thống . Từ công cụ Alarm Logging nó giúp người dùng sớm nhận ra các tình trạng nguy cấp của hệ thống từ đó tránh và giảm thiểu rủi ro, nâng cao chất lượng cho hệ thống . 3. Nguyên tắc hoạt động của WinCC Một chương trình của chúng ta sẽ được tạo ra bởi các công cụ soạn thảo ( bao gồm các chương trình Graphic System, Alarm Logging, Archive System ) . Các thông số trong chương trình của ta sẽ được lưu trong vùng nhớ dữ liệu CS (Configuration database) . - Khi runtime, thì phần mềm Runtime sẽ đọc các thông tin từ vùng dữ liệu CS và Project được khởi động . Các giá trị của các biến quá trình sẽ được lưu vào vùng dữ liệu RT (Runtime database) . Các biến thực tế này sẽ được đưa đến màn hình giao diện ( tạo bởi Graphics Designer ), đến hệ thống lưu trữ 4. Quy trình tạo một project trên WinCC - Tạo một dự án “project” WinCC mới Có 3 lựa chọn cho dự án Single-User Project : Dự án thực hiện trên máy đơn Multi-User Project Multi-Client Project Page 23
24. - Chọn PLC hoặc Drivers từ Tag Management . Mục đích : để thiết lập kết nối truyền thông giữa WinCC với các thiết bị (chủ yếu là PLC ) bằng một mạng liên kết chúng với nhau trong việc trao đổi dữ liệu . Mỗi một driver có định dạng *.chn . Ví dụ : để liên kết WinCC với S7-300 ta có thể chọn driver “ SIMATIC S7 Protocol Suite.chn ”, để liên kết WinCC với S7-200 thông qua mạng Modbus ta có thể chọn driver “Modbus Serial.chn ” Sau khi ta chọn Driver, thì mỗi một Driver sẽ xuất hiện các loại cổng kết nối riêng của nó . Trong WinCC thì mỗi cổng được gọi là một channel. Các cổng này thông thường chỉ định cổng COM của máy tính . Để thêm một kết nối Driver mới, ta chỉ cần nhấp phải chuột vào các cổng kết nối >> chọn New Driver Connection . - Tạo các biến ( Tag ) Để tạo kết nối các thiết bị của một dự án trong WinCC., trước tiên phải tạo các Tags trên WinCC. Tags được tạo dưới Tags Management. Gồm có Tags nội và Tags ngoại. Tags Internal (tags nội) : là Tag có sẵn trong WinCC. Những Tags nội này là những vùng nhớ trong WinCC, nó có chức năng như một PLC thực sự. Page 24
25. Tags External (Tags ngoại) : Là Tag quá trình, nó phản ánh thông tin địa chỉ của hệ thống PLC khác nhau. Các Tags có thể được lưu trong bộ nhớ PLC hoặc trên các thiết bị khác nối với PLC thông qua các Tags. - Tạo hình ảnh từ cửa sổ giao diện Graphic Designer Ta phải tạo một màn hình giao diện cho quá trình điều khiển và giám sát . Các tạo một màn hình mới : Right click >> Graphics Designer >> New Picture Page 25
26. CHƯƠNG II : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1. Xây dựng sơ đồ khối Với yêu cầu: Xây dựng một hệ thống điều khiển, giám sát mức nước và áp suất của một nồi hơi. Ý tưởng thiết kế: - Chắc chắn ta phải sử dụng PLC trong hệ thống. - Cảm biến để đo áp suất và mức nước đưa vào PLC - Máy tính để giao tiếp qua lại với PLC - Động cơ bơm nước. - Biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ bơm nước thông qua PLC Máy Biến tần Động cơ tính PLC bơm nước Cảm biến Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống - Khối cảm biến: Gồm có cảm biến mức nước và áp suất, lấy thông tin mức nước và áp suất đưa về module tương tự. Page 26
27. - Khối PLC: là khối đọc tín hiệu từ module tương tự (tín hiệu đã được chuyển đổi về dạng số) báo về, xử lý tín hiệu số theo chương trình đã có sẵn trong bộ VXL (ở đây ta sử dụng PLC S7- 300 CPU 312C) - Khối máy tính: là khâu giám sát, là môi trường trao đổi dữ liệu giữa người vận hành và khâu xử lý trung tâm (ở đây ta sử dụng phần mềm WinCC v7.0 dùng để giám sát và Step7 dùng để quản lý PLC). - Khối biến tần: nhận tín hiệu điều khiển từ PLC để điều khiển tốc độ động cơ bơm nước hệ thống - Khối động cơ gồm động cơ bơm nước. 2.2. Lựa chọn thiết bị 2.2.1. Lựa chọn cảm biến áp suất - Vị trí đặt cảm biến áp suất: Trên thành của nồi hơi. - Tín hiệu đầu ra của cảm biến là tín hiệu analog (tín hiệu tương tự) sẽ được đưa vào module mở rộng SM331 của PLC S7-300. - Với dải đo P = 0- 30bar - Ta có hàm tính toán như sau: Pr = Pđ Page 27
28. Cảm biến áp suất 50bar Sensys M5256-C3079E-050BG Hình 2.2 Cảm biến áp suất của hãng SENSYS Thông số kỹ thuật: - Phạm vi đo: 0 ~ 50bar - Ngõ ra: 4~20mA (được bảo vệ nối ngược cực và ngắn mạch). - Nguồn cấp: 9-30VDC. - Điện trở cách điện: 100MΩ, @500VDC - Kiểu nối cáp: Mini DIN43650 - Nối ren: PT1/4" - Nhiệt độ hoạt động: -40~125℃. - Áp suất đột ngột: 5 lần áp suất định mức - Thân vỏ thép không gỉ - Chịu rung 20G, 20~200Hz - Trọng lượng: 85g. - Môi chất: nước, dầu, khí. - Giấy hợp chuẩn CE về công nghệ nặng. Page 28
29. -Xuất xứ: Korea. 2.1.2. Lựa chọn cảm biến đo mức Cảm biến laze được đặt trên nóc bình chứa phát một tia laze xuống bề mặt chất lưu. Tia này bị dội ngược lại tới bộ phát hiện của cảm biến. Mạch điện định thời đo thời gian đi của tia sáng và tính toán ra mức của chất lưu. Lợi thế của tia laze là không bị phân tán,không bị ảnh hưởng bởi âm thanh và được truyền thẳng qua không khí. Phương pháp đo bằng tia laze có độ chính xác cao, ngay cả trong điều kiện môi trường hơi nước hay bọt bóng, và có khoảng cách đo lên đến 450m. Đây là phương pháp lýtưởng trong những bình chứa có nhiều vật cản. Đối với những ứng dụng có áp suất vànhiệt độ cao như trong lò phản ứng hạt nhân thì laze là phương pháp lựa chọn hàng đầu Tín hiệu ra của cảm biến laze này được đưa vào module mở rộng analog SM331 của PLC S7-300. Với dải đo 0- 3m. Ta có hàm tính toán như sau: Lr = Lđ Page 29
30. Hình 2.3 Cảm biến OPTEX Thông số kỹ thuật: - Nguồn cấp 12-24VDC ±10% - Ngõ ra analog 4-20mA. - Khoảng cách đo 400 – 6000mm. - Tần số sóng siêu âm hoạt động 65-380KHz. - Góc phát sóng hẹp ± , kiểm tra được các vật có diện tích nhỏ100×100mm. - Đèn báo chỉ thị trạng thái ngõ ra màu xanh. - Nhiệt độ hoạt động -10~150°C, đạt độ kín IEC IP65. - Lắp đặt đơn giản , dễ dàng bảo trì, thiết kế với tuổi thọ cao. Page 30
31. 2.1.3. Lựa chọn PLC Lựa chọn Module nguồn cho PLC S7-300 Chọn loại nguồn PS 307 -5A, mã 6ES7307-1EA00-0AA0 Hình 2.4. Module nguồn PS 307-5A của Siemens - Nguồn cấp đầu vào 120/230 VAC - Đầu ra 24 VDC - 5A Lựa chọn Module CPU cho PLC S7-300 Chọn loại CPU S7-300 312 Page 31
32. Hình 2.5. Module CPU 312 Các thông số của CPU 312 - S7-300, CPU 312 - 6ES7 312-1AD10-0AB0 - Nguồn cấp 24 - WORKING MEMORY: 32Kbyte - STEP 7 V5.5 + SP1 hoặc cao hơn hoặc STEP7 V5.2 + SP1 hoặc cao hơn với HSP 218 Bộ nhớ lưu chương trình: MMC ( tối đa 4 MB) - Vùng địa chỉ vào/ra: 1024/1024 byte ( có thể định địa chỉ tự do). - Kênh số vào/ra tối đa: 256/256 - Số modul tối đa: 8 - Tần số chuyển mạch tối đa: 100Hz ( tải trở), 0.5 Hz ( tải cảm) Page 32
33. - Kiểu kết nối: MPI - Ngôn ngữ lập trình: Step 7 (LAD/FBD/STL), SCL, GRAPH, HiGraph Chọn Module analog cho PLC S7-300 Module tương tự SM334 4 AI/ 2AO x 12/12 bits (6ES7334- 0CE01-0AA0) Hình 2.6. Module analog SM334 - Điện áp nguồn 24VDC - Có 4 ngõ vào, 2 ngõ ra - Độ phân giải 12 bits - Đo từ 0 đến 10V hoặc từ 0 đến 20mA - Ngõ ra từ 0 đến 10V hoặc từ 0 đến 20 mA Page 33
34. Hình 2.7. Sơ đồ đấu dây với ngõ vào điện áp và ngõ ra điện áp Hình 2.8. Sơ đồ đấu dây với ngõ vào dòng điện vào ngõ ra dòng điện 1. Nguồn nội 2. Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 3. Các kênh đầu vào 4. Các kênh đầu ra Page 34
35. 5. Bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC) 6. Mạch ghép nối bus 7. Chân nối chung 8. Chân nối mass Kết nối chân MANA (chân 15 hoặc 18) với chân mass M của CPU sử dụng dây có tiết diện tối thiểu 1mm 2. Nếu 2 chân này không được nối với nhau thì module sẽ tắt. Ngõ vào lúc này có giá trị 7FFFH, ngõ ra có giá trị bằng 0. Nếu để module hoạt động không được nối mass trong một thời gian có thể dẫn tới hư hỏng Tuyệt đối tránh đấu nguồn ngược cực. Việc này có thể là nguyên nhân làm cháy module. 2.1.4. Lựa chọn biến tần Chọn loại biến tần MM420 của hãng Siemens Hình 2.9. Biến tần MM420 của Siemens Cài đặt biến tần. - Biến tần MM420 điều khiển. + cài đặt các thông số: P0003 = 1: chọn mức truy nhập cơ bản Page 35
36. P0004 = 0: lọc tất cả cá thông số P0010 = 1: chọn loại cài đặt nhanh P0100 = 0: tần số là 50Hz P2050 = 0: chọn loại động cơ có mô men k đổi P0300 = 1: loại động cơ không đồng bộ P0304 = 220: điện áp định mức P0305 : Iđm động cơ P0307 : công suất định mức động cơ P0308: cos phi định mức P0310: tần số định mức P0311: tốc độ định mức P700 = 1: chọn điểm đặt điều chỉnh là bàn phím P1000 = 2: chọn điểm đặt tương tự lấy từ PLC P1080= 0: tần số min P1082 = 60: tần số max. Kết thúc chọn P0010 = 0: chế độ sẵn sàng hoạt động. Page 36
37. 2.1.5. Lựa chọn động cơ bơm nước Hình 2.10. Động cơ bơm nước Máy bơm công nghiệp EBARA 3M 40 -160/3,0 Thông tin Mô tả Máy bơm công nghiệp EBARA 3M 40-160/3,0 Xuất xứ Italy Công suất 3Kw/4Hp Điện áp sử dụng 380V Lưu lượng 12-42 m3/h 2.3. Chiều cao bơm 29,5-17 m Kích thước họng hút -xả 76-49mm Xây Vật liệu thân bơm Nhôm dựng Cường độ dòng điện: 6,8 A lưu Nhiệt độ chất lỏng bơm tối đa 90 °C đồ Bảo hành 12 tháng thuậ t toán. MAIN Page 37
38. Khởi động hệ thống Đo, điều khiển và cảnh báo áp suất Đo và cảnh báo mức nước MEND Hình 2.11 thuật toán điều khiển của hệ thống - Chương trình chính của bài toán bao gồm 2 công việc : Công việc 1 : Đo và cảnh báo áp suất. Tín hiệu áp suất trả về từ cảm biến được đưa vào PLC đọc và trả ra giá trị áp suất, từ đó để điều khiển động cơ bơm nước và cảnh báo mức áp suất cao. Công việc 2 : Đo và cảnh báo mức nước cao và mức nước thấp. Page 38
39. Khởi động hệ thống START=1 Page 39
40. S Đ STOP=1 S TG=1 Đ TG=0 END Hình 2.12 Thuật toán khởi động hệ thống - Lưu đồ thuật toán đo, điều khiển và cảnh báo áp suất Page 40
41. Đo và cảnh báo áp suất TG=1 S Page 41
42. Đ Nhận tín hiệu tự cảm biến và xử lí tín hiệu Đ S Ápsuất 25 Đ bar Khởi động động Đ cơ bơm nước Bật đèn cảnh báo áp suất cao HAP RET Hình 2.13 Lưu đồ thuật toán điều khiển và cảnh báo áp suất - Lưu đồ thuật toán đo và cảnh báo mức nước. Page 42
43. Đo dieu khien và cảnh báo mức nước TG=1 S Page 43
44. Đ Nhận tín hiệu tự cảm biến và xử lí tín hiệu Đ Mức 2,5m Đ Bật đèn cảnh báo mức thấp Đ LAL Bật đèn cảnh báo mức cao HAL RET Hình 2.14 Lưu đồ thuật toán đo và cảnh báo mức nước 1.4 Sơ đồ đấu dây Page 44
45. L1 L2 L3 N CB MUC E4PA-LS600-M1-N 1 2 3 4 5 N FUSE E K C U W L A SM 334 O B L R B START L+ 1 B PS307-2A CPU312C 24VDC 0V 0.0 MV0+ 2 SF 0.1 STOP M0- 3 DC 24V 0.2 MI0+ 4 DC5V 0.3 MV1+ 5 FRCF 0.4 M1- 6 RUN 0.5 MI1+ 7 STOP 0.6 MV2+ 8 0V I 24VDC RUN 0.7 M2- 9 1.0 0 STOP MI2+ 10 1.1 MV3+ 11 MRES PIN1 PIN2 PIN3 2M M3- 12 cam bien ap suat 1L+ MI3+ 13 L START MBS3000 2011-1AB04 L1 L2 L3 0.0 QV0 14 1 N STOP 0.1 MANA 15 2 0.2 LAL L+ QI0 16 3 0.3 HAL M L+ RUN QV1 17 4 0.4 BIEN TAN L+ DC 24V HAP MANA 18 M 0.5 5 M QI1 19 MM420 1M M 20 6 START 7 8 9 W V U L+ MOTOR M Hình 2.15 sơ đồ đấu dây 2.5. Xây dựng phần mềm Page 45
46. Page 46
47. Page 47
48. Page 48
49. Page 49
50. 2.6. Thiết kế giao diện HMI. Mô hình mô tả hệ thống hoạt động trên wincc Hình 2.13 Hệ thống khi chưa khởi động Hình 2.14 Hệ thống sau khi nhấn START. Khởi động hệ thống (ấn START hệ thống khởi động.đèn RUN sáng báo hệ thống đang làm việc.mức nước [0-0,5]m van M mở và đèn LAL sáng báo mức nước thấp nước được cấp vào nồi hơi,khi mức nước lớn hơn 0,5m thì đèn LAL tắt, nước tiếp tục được bơm vào nồi hơi.khi mức nước tăng dần đến 1,5m thì máy bơm hoạt động. Khi mức nước vượt quá 2,5m thì đèn HAL sáng báo hiệu nước ở mức cao Page 50
51. van M đóng lại, ngưng cấp nước cho nồi hơi. Áp suất trong nồi tăng dần cho đến khi áp suất trong nồi hơi lớn hơn 2,5bar thì đèn HAP sáng cảnh báo áp suất cao. Ấn STOP hệ thống ngừng hoạt động. Kết thúc quá trình làm việc. Chương 3: Kết quả thực hiện 3.1 – Kết quả đạt được Qua bài đề tải vừa qua chúng em đã thực hiện theo đúng yêu cầu của cô giao cho, chúng em đã học được rất nhiều những kến thức mới như biết thêm về wincc để mô phỏng chương trình thực tế cũng như các loại modul trong s7300.Hy vọng sau này chúng em sẽ áp dụng kiến thức đã học vào thực tế sau này. 3.2-Hạn chế tồn tại và phương hướng khắc phục Trong quá trình làm bài này chúng em cũng gặp một số khó khăn như cách hoạt động của wincc,các thiết bị module mới trong s7 - 300.Chúng em đã tìm tòi tài liệu trên mạng cũng như qua sự giúp đỡ của thầy cô nên đã hiểu ra nhiều kiến thức mới trong đề tài này. Page 51