Đồ án Ứng dụng plc S7 – 1200 để điều khiển và giám sát lò đốt bã mía

OA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG PLC S7 – 1200 ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ ĐỐT BÃ MÍA GVHD: ThS. Trần Văn Sỹ SVTH: Nguyễn Minh Hải 16341009 Tp. Hồ Chí Minh – 07/2018 i TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày 10 tháng 07 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Phan Ngọc Nhân MSSV: 16341017 Nguyễn Minh Hải MSSV: 16341009 Chuyên ngành: CNKT Điện tử Truyền Thông Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy (CT) Mã hệ: 3 Khóa: 2016 Lớp: 163410A I. TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG PLC S7 – 1200 ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ ĐỐT BÃ MÍA. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Nhóm tiến hành tìm hiểu các mô hình lò đốt trên mạng. Sau quá trình tìm hiểu nhóm đã tích lũy được các kinh nghiệm trong quá trình thực hiện. - Tiến hành tìm hiểu qui trình vận hành lò đốt bã mía của các nhà máy. - Tìm hiểu các loại cảm biến, thiết bị và phương pháp nguyên lý để có thể lựa chọn ra các thiết bị phù hợp để dùng trong mô hình. 2. Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu về PLC S7-1200 và phần mềm TIA Portal V14. - Phương thức truyền dữ liệu từ PLC đến biến tần. - Thiết kế và thi công mô hình lò nhiệt đốt. - Thiết kế và thi công khối cảm biến nhiệt độ. - Thiết kế và thi công hệ thống quạt thổi và băng tải. - Kết nối PLC với biến tần. - Lắp ráp các khối điều khiển vào mô hình. ii - Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên máy tính bằng phần mềm WinCC trong TIA Portal V14. - Viết chương trình PLC cho hệ thống. - Chạy thử nghiệm mô hình lò đốt. - Cân chỉnh lại hệ thống. - Viết sách luận văn. - Báo cáo đề tài tốt nhiệp. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/03/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/07/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Trần Văn Sỹ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Phan Ngọc Nhân Lớp: 163410A MSSV: 16341017 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Minh Hải Lớp: 163410A MSSV: 16341009 Tên đề tài: ỨNG DỤNG PLC S7 – 1200 ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ ĐỐT BÃ MÍA. Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Tuần 1 Gặp GVHD phổ biến đề tài. (12/03 – 18/03) Tuần 2 Viết đề cương Đồ án tốt nghiệp. (19/03 – 25/03) Tuần 3 Tìm hiểu qui trình lò đốt. (26/03 – 01/04) Tuần 4 Tìm hiểu về PLC S7-1200 và phần mềm TIA (02/04 – 08/04) Portal V14 Tuần 5 Tìm hiểu về module truyền thông RS485 (09/04 – 15/04) Tuần 6 Phương thức truyền dữ liệu từ PLC đến biến (16/04 – 22/04) tần. Tuần 7, 8 Thiết kế và thi công mô hình lò nhiệt đốt, khối (23/04 – 06/05) cảm biến nhiệt độ. Tuần 9, 10 Lắp ráp hoàn thiện mô hình. (07/05 – 20/05) Lập trình PLC cho toàn hệ thống. iv Tuần 11, 12 Chạy thử demo chương trình. (21/05 – 03/06) Cân chỉnh lại toàn bộ hệ thống và chương trình. Tuần 13 Viết báo cáo chương 1, chương 2. (04/06 – 10/06) Tuần 14 Viết báo cáo chương 3, chương 4. (11/06 – 17/06) Tuần 15 Viết báo cáo chương 5, chương 6. Kiểm tra lỗi (18/06 – 24/06) và hoàn thiện quyển báo cáo. Tuần 16 Viết Slide báo cáo. (25/06 – 01/07) Quay video cho mô hình. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) v LỜI CAM ĐOAN Nhóm xin cam đoan đề tài này là do nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và đề tài trước đó. Không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. TP. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 07 năm 2018 Sinh viên thực hiện 1 Sinh viên thực hiện 2 PHAN NGỌC NHÂN NGUYỄN MINH HẢI vi LỜI CẢM ƠN Sau quá trình được học tập ở trường cùng với những kiến thức được các thầy cô giảng dạy, những kinh nghiệm được học hỏi, trong quá trình thực hiện đồ án nhóm đã được các thầy cô tạo điều kiện tốt nhất để thực hiện đồ án này. Nhóm xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy, cô trong Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM nói chung, đặc biệt các giảng viên Khoa Điện - Điện Tử nói riêng đã giảng dạy và cung cấp cho Nhóm có những kiến thức quý báu, tạo tiền đề quan trong cho Nhóm có thể thực hiện được đồ án này. Nhóm em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Trần Văn Sỹ, trong suốt thời gian nhóm em thực hiện đề tài, thầy đã hướng dẫn tận tình và hỗ trợ cho nhóm các thiết bị cần thiết để nhóm thực hiện đề tài tốt hơn và đưa ra hướng đi giải quyết đúng cho nhóm mỗi khi gặp khó khăn. Cảm ơn thầy đã chia sẻ những kinh nghiệm quý báu giúp nhóm thực hiện tốt đề tài. Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, vì thời gian và trình độ có giới hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, nhóm hy vọng sẽ nhận được những ý kiến đóng góp quý báu từ thầy cô, bạn bè và những người quan tâm để đề tài được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện 1 Sinh viên thực hiện 2 PHAN NGỌC NHÂN NGUYỄN MINH HẢI vii MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .......................................................................... ii LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .............................................. iv LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... vi LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... vii MỤC LỤC ............................................................................................................... viii LIỆT KÊ HÌNH VẼ.................................................................................................. xii TÓM TẮT ................................................................................................................. xv Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................1 1.2 MỤC TIÊU .........................................................................................................2 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...............................................................................2 1.4 GIỚI HẠN ..........................................................................................................3 1.5 BỐ CỤC .............................................................................................................3 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................5 2.1 QUY TRÌNH VẬN HÀNH LÒ ĐỐT BÃ MÍA ...................................................5 2.1.1 Công tác chuẩn bị vận hành ..........................................................................5 2.1.2 Quy trình và thao tác vận hành lò đốt ...........................................................5 2.2 SƠ LƯỢC VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ................................................................6 2.2.1 Phân loại .......................................................................................................7 2.2.2 Các thông số bộ điều khiển PID ....................................................................8 2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ............................................................................. 10 2.3.1 Bộ xử lý trung tâm PLC S7-1200 ................................................................ 10 a. Tổng quan về PLC S7-1200 ........................................................................ 10 b. Cấu tạo PLC S7-1200 .................................................................................. 11 viii c. Các moudle mở rộng PLC S7-1200 ............................................................. 13 d. Module truyền thông ................................................................................... 14 e. Nguyên lý hoạt động PLC S7 – 1200 ........................................................... 15 f. Lập trình PLC S7-1200 ............................................................................... 16 2.3.2 Biến Tần SIEMENS MICROMASTER 420 ................................................ 16 2.3.3 Dây nhiệt điện trở (thermistor) .................................................................... 24 2.3.4 SOLID STATE RELAY (SSR) ................................................................... 26 2.3.5 Cảm biến nhiệt độ ....................................................................................... 27 a. Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector - RTD) ................................ 28 b. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) ................................................................... 29 c. Cảm biến nhiệt bán dẫn ............................................................................... 30 d. Điện trở oxit kim loại (Thermistor).............................................................. 30 2.3.6 Nút nhấn ..................................................................................................... 31 2.3.7 Động cơ 3 pha ............................................................................................. 32 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ................................................................. 34 3.1 GIỚI THIỆU..................................................................................................... 34 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ....................................................... 35 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống........................................................................ 35 3.2.2 Tính toán và thiết kế hệ thống ..................................................................... 36 a. Thiết kế khối nguồn ..................................................................................... 36 b. Thiết kế khối cảm biến ................................................................................. 37 c. Khối xử lý trung tâm .................................................................................... 38 d. Khối nút nhấn, đèn báo ................................................................................ 39 e. Khối điều khiển động cơ .............................................................................. 40 f. Khối điều kiển SSR ...................................................................................... 42 g. Khối băng tải và quạt thổi ............................................................................ 43 h. Khối dây điện trở nhiệt mayso ..................................................................... 44 ix 3.2.3 Thiết kế sơ đồ đi dây tủ điện ....................................................................... 45 a. Sơ đồ kết nối phần cứng PLC với ngõ vào ra................................................ 45 b. Sơ đồ kết nối Module RS485 với biến tần MM420 và động cơ 3 pha ........... 46 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................................ 47 4.1 GIỚI THIỆU ...................................................................................................... 47 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................................... 47 4.2.1 Thi công lắp ráp phần cơ khí....................................................................... 47 4.2.2 Phần băng tải và lò đốt ............................................................................... 49 4.2.3 Thi công lắp ráp phần tủ điện ...................................................................... 53 4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG................................................................................. 56 4.3.1 Lưu đồ giản thuật ........................................................................................ 56 a. Thuật toán điều khiển biến tần ..................................................................... 56 b. Thuật toán điều khiển chương trình chính .................................................... 57 4.3.2 Lập trình cho PLC S7-1200 ......................................................................... 58 a. Giới thiệu phần mềm lập trình ..................................................................... 58 b. Cách cài đặt phần mềm ................................................................................ 58 c. Cách tạo một Project ................................................................................... 58 4.3.3 Giao thức USS cho biến tần MM420 (Universal serial interface) ................ 60 a. Hàm điều khiển cổng USS_PORT ............................................................... 63 b. Hàm USS_DRIVE....................................................................................... 63 c. Hàm USS_RPM .......................................................................................... 65 d. Hàm USS_WPM ......................................................................................... 66 4.3.4 Thiết lập các tham số cho biến tần ............................................................... 67 a. Thiết lập thông số động cơ .......................................................................... 67 b. Thiết lập thông số biến tần phục vụ cho chế độ truyền thông USS ............... 68 4.4 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ............................... 69 Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ .................................................... 70 x 5.1 THIẾT BỊ ......................................................................................................... 70 5.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC ..................................................................................... 70 5.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ................................................................................... 71 5.4 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................................................... 74 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 75 6.1 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 75 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................................... 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 76 xi LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Băng tải bã mía vào lò đốt..............................................................................5 Hình 2.2: Cấu trúc bộ điều khiển PID ............................................................................6 Hình 2.3: Hệ thống bộ điều khiển PID liên tục ..............................................................7 Hình 2.4: Hệ thống bộ điều khiển PID số rời rạc ...........................................................7 Hình 2.5: Khâu tỉ lệ bộ điều khiển PID ..........................................................................8 Hình 2.6: Khâu tích phân bộ điều khiển PID..................................................................9 Hình 2.7: Khâu vi phân bộ điều khiển PID ....................................................................9 Hình 2.8: Thành phần PLC S7 – 1200 ......................................................................... 11 Hình 2.9: Module truyền thông RS485(CB 1241) ........................................................ 14 Hình 2.10: Chu kỳ quét của một PLC .......................................................................... 15 Hình 2.11: Biến tần SIEMENS MICROMASTER 420 ................................................ 16 Hình 2.12: Tháo phần mặt trước vỏ máy ...................................................................... 19 Hình 2.13: Các đầu mạch động lực .............................................................................. 19 Hình 2.14: Các đầu vào tương tự và số ........................................................................ 20 Hình 2.15: Dây điện trở nhiệt mayso ........................................................................... 25 Hình 2.16: Relay bán dẫn (SSR) .................................................................................. 26 Hình 2.17: Nhiệt điện trở ............................................................................................. 28 Hình 2.18: Cặp nhiệt điện ............................................................................................ 29 Hình 2.19: Cảm biến nhiệt độ LM335 ......................................................................... 30 Hình 2.20: Điện trở oxit kim loại ................................................................................. 30 Hình 2.21: Nút nhấn teknic .......................................................................................... 32 Hình 2.22: Động cơ 3 pha Oriental .............................................................................. 33 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống ..................................................................................... 35 Hình 3.2: Khối nguồn thực tế ...................................................................................... 37 Hình 3.3: Bộ chuyển đổi tín hiệu TWD ....................................................................... 38 Hình 3.4: PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC ........................................................ 39 Hình 3.5: Đèn báo 220VAC ........................................................................................ 39 Hình 3.6: Nút nhấn thường hở ..................................................................................... 40 Hình 3.7: Biến tần MM420 .......................................................................................... 41 Hình 3.8: Mạch động lực cho SSR ............................................................................... 42 xii Hình 3.9: Motor giảm tốc mini Peeimoger ................................................................... 43 Hình 3.10: Động cơ 3 pha Oriental .............................................................................. 44 Hình 3.11: Dây điện trở nhiệt mayso gắn trong mô hình .............................................. 44 Hình 3.12: Sơ đồ kết nối PLC ...................................................................................... 45 Hình 3.13: Sơ đồ kết nối Biến tần với Module RS485 và động cơ ............................... 46 Hình 4.1: Sơ đồ lắp ráp khung sắt ................................................................................ 47 Hình 4.2: Khung sắt thiết kế thực tế ............................................................................. 49 Hình 4.3: Sơ đồ lắp ráp băng tải và lò đốt .................................................................... 49 Hình 4.4: Mô hình lò đốt ............................................................................................. 51 Hình 4.5: Mô hình băng tải .......................................................................................... 53 Hình 4.6: Sơ đồ thi công tủ điện .................................................................................. 53 Hình 4.7: Đèn nút nhấn bên trong tủ ............................................................................ 55 Hình 4.8: Linh kiện bố trí bên trong tủ......................................................................... 55 Hình 4.9: Lưu đồ giản thuật điều khiển biến tần .......................................................... 56 Hình 4.10: Lưu đồ giản thuật toàn bộ hệ thống ............................................................ 57 Hình 4.11: Giao diện tạo project mới ........................................................................... 59 Hình 4.12: Giao diện Main(OB1) lập trình chương trình ............................................. 59 Hình 4.13: Giao diện thiết kế WinCC .......................................................................... 60 Hình 4.14: Cấu trúc mạng của biến tần MM420 .......................................................... 61 Hình 4.15: Kết nối mạng giữa PLC và các biến tần ..................................................... 61 Hình 4.16: Lệnh truyền thông với giao thức USS ........................................................ 62 Hình 4.17: Hàm USS_PORT ....................................................................................... 63 Hình 4.18: Hàm USS_DRIVE ..................................................................................... 64 Hình 4.19: Hàm USS_RPM ......................................................................................... 65 Hình 4.20: Hàm USS_WPM ........................................................................................ 67 Hình 4.21: Thông số thiết lập cho chế độ truyền thông USS ........................................ 68 Hình 5.1: Phần khung sắt sau khi thiết kế xong............................................................ 71 Hình 5.2: Sau khi lắp đặt các thiết bị hoàn chỉnh ......................................................... 71 Hình 5.3: Lò đốt đang hoạt động ................................................................................. 72 Hình 5.4: Lò đốt được lắp đặt hoàn chỉnh .................................................................... 72 Hình 5.5: Các thiết bị được gắn hoàn chỉnh ................................................................. 73 Hình 5.6: Bảng điều khiển ........................................................................................... 73 Hình 5.7: Màn hình giám sát SCADA ......................................................................... 74 xiii LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật các loại CPU................................................................... 12 Bảng 2.2: Đặc tính của các module mở rộng ................................................................ 13 Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật ........................................................................................ 17 Bảng 2.4: Đầu dây điều khiển ...................................................................................... 20 Bảng 2.5: Các thông số mặc định khác ........................................................................ 21 Bảng 2.6: Bảng đấu nối ............................................................................................... 21 Bảng 2.7: Các nút và các chức năng ............................................................................ 22 Bảng 2.8: Cách chọn các loại cảm biến tương ứng cho từng ngành cụ thể ................... 31 Bảng 2.9: Thông số kỹ thuật cần biết của động cơ Oriental ......................................... 33 Bảng 3.1: Bảng tiêu thụ dòng điện của các khối .......................................................... 36 Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện trong khung sắt ...................................................... 48 Bảng 4.2: Danh sách các linh kiện Lò Đốt, Băng Tải ................................................... 50 Bảng 4.3: Các loại băng tải trên thị trường hiện nay .................................................... 51 Bảng 4.4: Dach sách các thiết bị trong tủ điện ............................................................. 54 xiv TÓM TẮT Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu sơ lược về qui trình hoạt động của lò đốt Từ các kiến thức được học ở trường và kinh nghiệm thực tiễn cộng với sự giúp đỡ nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn và các thầy cô bạn bè nhóm đã lựa chọn các thiết bị cần thiết và phương pháp phù hợp để thực hiện đề tài này. Trong mô hình nhóm sử dụng PLC S7-1200 cho hệ thống thông qua việc sử dụng WinCC để điều khiển giám sát nhiệt độ lò trong lò đốt. Cảm biến nhiệt độ liên tục cập nhật giá trị nhiệt độ trong lò để gửi về PLC, đồng thời PLC sẽ gửi tín hiệu điều khiển tốc độ động cơ băng tải và quạt thổi thông qua biến tần MM420. Nhóm đã hoàn thành mô hình lò đốt với những tính năng cơ bản, có thể tự động điều khiển băng tải cấp nguyên liệu bã mía và điều khiển được tốc độ quạt gió cung cấp không khí cho việc đốt nhằm để cân bằng và ổn định nhiệt độ trong lò. Với mong muốn đem lại hiệu quả cao trong quá trình sản xuất và giảm thiểu nhân công vận hành. Mô hình hoạt động tương đối ổn định, nhưng bên cạnh đó vẫn còn một số hạn chế nhỏ như cơ chế hoạt động còn khá đơn giản, do điều kiện kinh tế và thời gian có hạn nên đề tài vẫn còn hạn chế về thiết bị sử dụng trong mô hình. xv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Theo con số thống kê của hiệp hội mía đường Việt Nam năm 2010, Việt Nam có tổng số 41 nhà máy đường, với khoảng 24 triệu tấn mía ép tạo ra 7,8 triệu tấn bã mía. Từ đó thì khoảng 80% trong số đó được đốt để nạp cung cấp nhiệt cho các nhà máy điện, lò hơi hay được dùng ngược lại để nấu mía đường. Để tận dụng nhiệt lượng cao từ 4200 – 4700 kcal/kg của bã mía đem lại thì cần phải có sự kiểm soát nhiệt độ một cách hiệu quả trong lò nấu mía đường. Với tính chất quan trọng như vậy thì nhiệt độ cần đòi hỏi phải có phương pháp điều khiển thích hợp. Đây chính là vấn đề đặt ra để cần giải quyết nhằm đem lại tính ổn định và chính xác của nhiệt độ. Một hệ thống muốn chính xác cần phải thực hiện hồi tiếp tín hiệu về để so sánh với tín hiệu vào ra và được gửi đến bộ điều khiển hiệu chỉnh đầu ra. Hệ thống điều khiển hồi tiếp có nhiều ưu điểm nên thường được thấy trong các hệ thống tự động. Trước đó đã có nhiều công trình và đề tài như“Điều khiển và giám sát lò nhiệt PID bằng PLC S7-300. [1]” nói về phương pháp điều khiển nhiệt độ dựa trên nguyên tắc hệ thống hồi tiếp. Qua bộ cảm biến gửi tín hiệu đo lường nhiệt độ về so sánh với giá trị đặt, sai lệch giữ tín hiệt đặt và đo sẽ được đưa tới bộ điều khiển tạo tín hiệu công suất cấp cho bộ phận gia nhiệt. Với vai trò là sinh viên chuẩn bị tốt nghiệp, nhóm thực hiện quyết định chọn để tài : “ỨNG DỤNG PLC S7-1200 ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ ĐỐT BÃ MÍA” để nghiên cứu, nhằm tổng hợp và cũng cố kiến thức đã học cũng như áp dụng công nghệ vào quá trình sản xuất công nghiệp. Trong đề tài này, nhóm thực hiện sẽ thiết kế mô hình ứng dụng PLC S7-1200 điều khiển và giám sát nhiệt độ của lò nấu mía bằng nguyên liệu bã mía để thay đổi tốc độ băng tải và quạt thổi cho phù hợp với nhiệt độ của lò. Với tin tưởng rằng đề tài này có thể được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất đường của Việt Nam hiện nay để tận dụng nguồn nguyên liệu bã mía có sẵn tại nhà máy nhằm đem lại hiệu quả kinh tế cao. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.2 MỤC TIÊU Ứng dụng PLC vào mô hình lò đốt để giảm bớt sức lao động, chi phí. Tìm hiểu về hệ thống lò đốt bằng nguyên liệu bã mía. Từ đó nhóm thực hiện sẽ thiết kế mô hình điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nấu bằng PLC. Điều khiển nhiệt độ trong lò thông qua cảm biến nhiệt độ. Điều khiển tốc độ quạt thổi, tốc độ băng tải nguyên liệu bằng biến tần thông qua giao tiếp với PLC. Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt sử dụng phần mềm WinCC trong TIA Portal V14. 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  NỘI DUNG 1: - Tìm hiểu về PLC S7-1200 và phần mềm TIA Portal V14 và cảm biến nhiệt độ. - Phương thức truyền dữ liệu từ PLC đến biến tần siemens  NỘI DUNG 2: - Thiết kế và thi công mô hình lò nhiệt đốt. - Thiết kế và thi công khối cảm biến nhiệt độ. - Thiết kế và thi công hệ thống quạt thổi và băng tải.  NỘI DUNG 3: - Thi công tủ điện điều khiển.  NỘI DUNG 4: - Kết nối PLC với biến tần. - Thiết kế Lắp ráp các khối điều khiển vào mô hình. - Lưu đồ điều khiển, giao diện HMI..  NỘI DUNG 5: - Lập trình PLC, chạy thử nghiệm mô hình. - Cân chỉnh lại hệ thống.  NỘI DUNG 6: - Đánh giá kết quả thực hiện và hướng mở rộng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.4 GIỚI HẠN Sử dụng dây trở nhiệt mayso để tạo nhiệt độ trong mô hình lò nhiệt. Mô hình còn khá đơn giản. Không có màn hình HMI nên điều khiển giám sát dùng phần mềm WinCC trong TIA Portal V14. Chưa có hệ thống băng tải lấy tro xỉ thải của lò. 1.5 BỐ CỤC  Chương 1: Tổng Quan Trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu đề tài, nội dung nghiên cứu đề tài, giới hạn và bố cục đề tài  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Giới thiệu sơ lượt vể nguyên lý và quy trình hoạt động của lò đốt. Trình bày sơ lược lý thuyết về PLC S7-1200, lý thuyết điều khiển PID, các thiết bị như biến tần siemens MM420, SSR, động cơ quạt thổi, bang tải nguyên liệu  Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Thiết kế lên bản vẽ cho mô hình, lựa chọn kích thướt tủ điện phù hợp với linh kiện bố trí trong tủ, sơ đồ khối tính toán các thông số công suất của thiết bị điều khiển hệ thống điện và lựa chọn các thiết bị phù hợp với ông suất cho mô hình.  Chương 4: Thi Công Mô Hình Trong chương này chúng ta thực hiện thi công các phần điều khiển và mạch động lực cũng như phần cứng mô hình hệ thống đề tài. Từ đó xây dựng nên lưu đồ giải thuật để viết chương trình điều khiển cho hệ thống. Khi có được mô hình và chương trình điều khiển cho hệ thống thì sẽ thực hiện các bước để mô hình được hoạt động tốt. Sau đó là các bước để hướng dẫn các thao tác cho việc hoạt mô hình hoàn thiện hơn. Tính toán lựa chọn nguyên vật liệu phù hợp, chuẩn bị thiết bị điện và dụng cụ điện hỗ trợ cho qua trình làm việc. Trình tự thi công mô hình, chạy mô hình  Chương 5: Kết Luận và Hướng Phát Triển BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUA...g giữa PLC và các biến tần ..................................................... 61 Hình 4.16: Lệnh truyền thông với giao thức USS ........................................................ 62 Hình 4.17: Hàm USS_PORT ....................................................................................... 63 Hình 4.18: Hàm USS_DRIVE ..................................................................................... 64 Hình 4.19: Hàm USS_RPM ......................................................................................... 65 Hình 4.20: Hàm USS_WPM ........................................................................................ 67 Hình 4.21: Thông số thiết lập cho chế độ truyền thông USS ........................................ 68 Hình 5.1: Phần khung sắt sau khi thiết kế xong............................................................ 71 Hình 5.2: Sau khi lắp đặt các thiết bị hoàn chỉnh ......................................................... 71 Hình 5.3: Lò đốt đang hoạt động ................................................................................. 72 Hình 5.4: Lò đốt được lắp đặt hoàn chỉnh .................................................................... 72 Hình 5.5: Các thiết bị được gắn hoàn chỉnh ................................................................. 73 Hình 5.6: Bảng điều khiển ........................................................................................... 73 Hình 5.7: Màn hình giám sát SCADA ......................................................................... 74 xiii LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật các loại CPU................................................................... 12 Bảng 2.2: Đặc tính của các module mở rộng ................................................................ 13 Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật ........................................................................................ 17 Bảng 2.4: Đầu dây điều khiển ...................................................................................... 20 Bảng 2.5: Các thông số mặc định khác ........................................................................ 21 Bảng 2.6: Bảng đấu nối ............................................................................................... 21 Bảng 2.7: Các nút và các chức năng ............................................................................ 22 Bảng 2.8: Cách chọn các loại cảm biến tương ứng cho từng ngành cụ thể ................... 31 Bảng 2.9: Thông số kỹ thuật cần biết của động cơ Oriental ......................................... 33 Bảng 3.1: Bảng tiêu thụ dòng điện của các khối .......................................................... 36 Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện trong khung sắt ...................................................... 48 Bảng 4.2: Danh sách các linh kiện Lò Đốt, Băng Tải ................................................... 50 Bảng 4.3: Các loại băng tải trên thị trường hiện nay .................................................... 51 Bảng 4.4: Dach sách các thiết bị trong tủ điện ............................................................. 54 xiv TÓM TẮT Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu sơ lược về qui trình hoạt động của lò đốt Từ các kiến thức được học ở trường và kinh nghiệm thực tiễn cộng với sự giúp đỡ nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn và các thầy cô bạn bè nhóm đã lựa chọn các thiết bị cần thiết và phương pháp phù hợp để thực hiện đề tài này. Trong mô hình nhóm sử dụng PLC S7-1200 cho hệ thống thông qua việc sử dụng WinCC để điều khiển giám sát nhiệt độ lò trong lò đốt. Cảm biến nhiệt độ liên tục cập nhật giá trị nhiệt độ trong lò để gửi về PLC, đồng thời PLC sẽ gửi tín hiệu điều khiển tốc độ động cơ băng tải và quạt thổi thông qua biến tần MM420. Nhóm đã hoàn thành mô hình lò đốt với những tính năng cơ bản, có thể tự động điều khiển băng tải cấp nguyên liệu bã mía và điều khiển được tốc độ quạt gió cung cấp không khí cho việc đốt nhằm để cân bằng và ổn định nhiệt độ trong lò. Với mong muốn đem lại hiệu quả cao trong quá trình sản xuất và giảm thiểu nhân công vận hành. Mô hình hoạt động tương đối ổn định, nhưng bên cạnh đó vẫn còn một số hạn chế nhỏ như cơ chế hoạt động còn khá đơn giản, do điều kiện kinh tế và thời gian có hạn nên đề tài vẫn còn hạn chế về thiết bị sử dụng trong mô hình. xv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Theo con số thống kê của hiệp hội mía đường Việt Nam năm 2010, Việt Nam có tổng số 41 nhà máy đường, với khoảng 24 triệu tấn mía ép tạo ra 7,8 triệu tấn bã mía. Từ đó thì khoảng 80% trong số đó được đốt để nạp cung cấp nhiệt cho các nhà máy điện, lò hơi hay được dùng ngược lại để nấu mía đường. Để tận dụng nhiệt lượng cao từ 4200 – 4700 kcal/kg của bã mía đem lại thì cần phải có sự kiểm soát nhiệt độ một cách hiệu quả trong lò nấu mía đường. Với tính chất quan trọng như vậy thì nhiệt độ cần đòi hỏi phải có phương pháp điều khiển thích hợp. Đây chính là vấn đề đặt ra để cần giải quyết nhằm đem lại tính ổn định và chính xác của nhiệt độ. Một hệ thống muốn chính xác cần phải thực hiện hồi tiếp tín hiệu về để so sánh với tín hiệu vào ra và được gửi đến bộ điều khiển hiệu chỉnh đầu ra. Hệ thống điều khiển hồi tiếp có nhiều ưu điểm nên thường được thấy trong các hệ thống tự động. Trước đó đã có nhiều công trình và đề tài như“Điều khiển và giám sát lò nhiệt PID bằng PLC S7-300. [1]” nói về phương pháp điều khiển nhiệt độ dựa trên nguyên tắc hệ thống hồi tiếp. Qua bộ cảm biến gửi tín hiệu đo lường nhiệt độ về so sánh với giá trị đặt, sai lệch giữ tín hiệt đặt và đo sẽ được đưa tới bộ điều khiển tạo tín hiệu công suất cấp cho bộ phận gia nhiệt. Với vai trò là sinh viên chuẩn bị tốt nghiệp, nhóm thực hiện quyết định chọn để tài : “ỨNG DỤNG PLC S7-1200 ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ ĐỐT BÃ MÍA” để nghiên cứu, nhằm tổng hợp và cũng cố kiến thức đã học cũng như áp dụng công nghệ vào quá trình sản xuất công nghiệp. Trong đề tài này, nhóm thực hiện sẽ thiết kế mô hình ứng dụng PLC S7-1200 điều khiển và giám sát nhiệt độ của lò nấu mía bằng nguyên liệu bã mía để thay đổi tốc độ băng tải và quạt thổi cho phù hợp với nhiệt độ của lò. Với tin tưởng rằng đề tài này có thể được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất đường của Việt Nam hiện nay để tận dụng nguồn nguyên liệu bã mía có sẵn tại nhà máy nhằm đem lại hiệu quả kinh tế cao. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.2 MỤC TIÊU Ứng dụng PLC vào mô hình lò đốt để giảm bớt sức lao động, chi phí. Tìm hiểu về hệ thống lò đốt bằng nguyên liệu bã mía. Từ đó nhóm thực hiện sẽ thiết kế mô hình điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nấu bằng PLC. Điều khiển nhiệt độ trong lò thông qua cảm biến nhiệt độ. Điều khiển tốc độ quạt thổi, tốc độ băng tải nguyên liệu bằng biến tần thông qua giao tiếp với PLC. Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt sử dụng phần mềm WinCC trong TIA Portal V14. 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  NỘI DUNG 1: - Tìm hiểu về PLC S7-1200 và phần mềm TIA Portal V14 và cảm biến nhiệt độ. - Phương thức truyền dữ liệu từ PLC đến biến tần siemens  NỘI DUNG 2: - Thiết kế và thi công mô hình lò nhiệt đốt. - Thiết kế và thi công khối cảm biến nhiệt độ. - Thiết kế và thi công hệ thống quạt thổi và băng tải.  NỘI DUNG 3: - Thi công tủ điện điều khiển.  NỘI DUNG 4: - Kết nối PLC với biến tần. - Thiết kế Lắp ráp các khối điều khiển vào mô hình. - Lưu đồ điều khiển, giao diện HMI..  NỘI DUNG 5: - Lập trình PLC, chạy thử nghiệm mô hình. - Cân chỉnh lại hệ thống.  NỘI DUNG 6: - Đánh giá kết quả thực hiện và hướng mở rộng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.4 GIỚI HẠN Sử dụng dây trở nhiệt mayso để tạo nhiệt độ trong mô hình lò nhiệt. Mô hình còn khá đơn giản. Không có màn hình HMI nên điều khiển giám sát dùng phần mềm WinCC trong TIA Portal V14. Chưa có hệ thống băng tải lấy tro xỉ thải của lò. 1.5 BỐ CỤC  Chương 1: Tổng Quan Trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu đề tài, nội dung nghiên cứu đề tài, giới hạn và bố cục đề tài  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Giới thiệu sơ lượt vể nguyên lý và quy trình hoạt động của lò đốt. Trình bày sơ lược lý thuyết về PLC S7-1200, lý thuyết điều khiển PID, các thiết bị như biến tần siemens MM420, SSR, động cơ quạt thổi, bang tải nguyên liệu  Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Thiết kế lên bản vẽ cho mô hình, lựa chọn kích thướt tủ điện phù hợp với linh kiện bố trí trong tủ, sơ đồ khối tính toán các thông số công suất của thiết bị điều khiển hệ thống điện và lựa chọn các thiết bị phù hợp với ông suất cho mô hình.  Chương 4: Thi Công Mô Hình Trong chương này chúng ta thực hiện thi công các phần điều khiển và mạch động lực cũng như phần cứng mô hình hệ thống đề tài. Từ đó xây dựng nên lưu đồ giải thuật để viết chương trình điều khiển cho hệ thống. Khi có được mô hình và chương trình điều khiển cho hệ thống thì sẽ thực hiện các bước để mô hình được hoạt động tốt. Sau đó là các bước để hướng dẫn các thao tác cho việc hoạt mô hình hoàn thiện hơn. Tính toán lựa chọn nguyên vật liệu phù hợp, chuẩn bị thiết bị điện và dụng cụ điện hỗ trợ cho qua trình làm việc. Trình tự thi công mô hình, chạy mô hình  Chương 5: Kết Luận và Hướng Phát Triển BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trình bày kết quả thiết bị, những yêu cầu đạt được và chưa đạt được từ phần cứng và phần mềm. Từ đó đưa ra nhận xét về nguyên nhân chưa đạt được và cách khắc phục. Tiến hành nhận xét kết quả trong quá trình thực hiện đồ án giữa những gì thực hiện thực tế so với kết quả trong lý thuyết.  Chương 6: Tổng quan. Kết luận về những gì đạt được trong quá trình thực hiện đồ án. Đưa ra thêm những hướng phát triển khả thi cho đề tài để có thể ứng dụng tốt trong thực tế. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 QUY TRÌNH VẬN HÀNH LÒ ĐỐT BÃ MÍA 2.1.1 Công tác chuẩn bị vận hành - Vệ sinh buồng đốt, nạo vét tro cặn của mẻ đốt trước khi cho nguyên liệu vào. - Kiểm tra tủ điện hệ thống điều khiển. - Kiểm tra hệ thống quạt gió, hút khí thải, hệ thống xử lý khí thải. - Kiểm tra nhiên liệu đốt. 2.1.2 Quy trình và thao tác vận hành lò đốt Hình 2.1: Băng tải bã mía vào lò đốt - Bật CB từ vị trí (OFF) sang vị trí (ON) để cấp điện nguồn hệ thống. - Bật băng tải để đưa nguyên liệu bã mía vào lò đốt. - Tiến hành nhóm lò bằng những nguyên liệu dễ cháy. - Bật hệ thống quạt thổi để cung cấp không khí cho lò. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Mở hệ thống hút khói, mở hệ thống lấy tro xỉ để đưa chất thải ra ngoài. - Khi hết nguyên liệu tiến hành tắt băng tải, hệ thống quạt thổi. - Đóng hệ thống lấy tro xỉ và hút khói. - Tắt CB từ vị trí (ON) sang vị trí (OFF) để ngắt nguồn hệ thống. - Kiểm tra lại toàn bộ, vệ sinh thiết bị, ghi sổ theo dõi vận hành. 2.2 SƠ LƯỢC VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Bộ điều khiển PID tên tiếng anh là (Proportional Integral Derivative Controller) hay còn được gọi với tên là điều khiển vi tích phân tỉ lệ. Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiều loại đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong bồn chứado nó có khả năng làm triệt tiêu sai số xác lập, tăng tốc độ đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các thông số của bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp. Hình 2.2: Cấu trúc bộ điều khiển PID - Công thức bộ điều khiển PID: U = K .e + K .(∫ ) + K ( ) P I D - Trong đó:  yr: tín hiệu đặt (tín hiệu mong muốn đạt được).  e: sai số giảm tín hiệu thực tế và tín hiệu đặt. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT  u: tín hiệu điều khiển.  y: ngõ ra hệ thống. 2.2.1 Phân loại  Bộ điều khiển PID sẽ bao gồm: - Bộ điều khiển PID liên tục Hình 2.3: Hệ thống bộ điều khiển PID liên tục - Bộ điều khiển PID số (rời rạc). Hình 2.4: Hệ thống bộ điều khiển PID số rời rạc BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2.2 Các thông số bộ điều khiển PID  Bộ điều khiển PID sẽ bao gồm ba khâu tương ứng với ba thông số chính: - Khâu tỉ lệ (Proportional) KP. - Khâu tích phân (Integration) KI. - Khâu vi phân (Derivative) KD. Nếu lựa chọn các thông số này phù hợp (tín hiệu đặt và tín hiệu thực tế trùng nhau) thì hệ thống sẽ hoạt động tốt,ổn định.  Khâu tỉ lệ (Proportional) Hàm truyền: K(s) = KP. Đặc tính thời gian: Y(s) = KP.G(s).E(s). () Sai số hế thống: E(s) = ()() Hình 2.5: Khâu tỉ lệ bộ điều khiển PID Chú ý: - KP càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh. - KP càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ ( nhưng không thể triệt tiêu). - KP càng lớn thì các cực của hệ thống có xu hướng di chuyển ra xa trục thực => Hệ thống càng dao động và độ lọt vố càng cao. - Nếu KP tăng quá gí trị giới hạn thì hệ thống sẽ mất ổn định. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Khâu tích phân (Integration) Hàm truyền: K(s) = KI/s. Đặc tính thời gian: Y(s) = KI.G(s).E(s)/s. .() Sai số hệ thống: E(s) = ()() Hình 2.6: Khâu tích phân bộ điều khiển PID. Chú ý: - Tín hiệu ngõ ra được xác định bởi sai số. - KI càng lớn thì đáp ứng quá độ càng chậm. - KI càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ. Hệ số khuếch đại của khâu tích phân sẽ bằng vô cùng khi tần số bằng 0 => triệt tiêu sai số xác lập với hàm nấc. - KI càng lớn thì độ vọt lố càng cao.  Khâu vi phân (Derivative) Hàm truyền: K(s) = KD.s. Đặc thời gian: Y(s) = KD.G(s).E(s).s. () Sai số hệ thống: E(s) = .()() Hình 2.7: Khâu vi phân bộ điều khiển PID BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chú ý: - KD càng lớn thì đáp ứng quá độ càng nhanh. - KD càng lớn thì độ vọt lố càng nhỏ. Hệ số khuếch đại tần số cao là vô cùng lớn nên khâu hiệu chỉnh D rất nhạy với nhiễu tần số cao.  Các phương pháp tìm thông số PID (KP, KI, KD) - Có rất nhiều phương pháp để tìm thông số PID như:  Phương pháp Ziegler – Nichols.  Phương pháp Cohen-Coon.  Phương pháp Tyreus-Luyben.  Phương pháp Autotune. Và phương pháp phổ biến nhất để chọn được thông số cho các bộ điều khiển PID hiện nay đó là phương pháp Zeigler – Nichols. 2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.3.1 Bộ xử lý trung tâm PLC S7-1200 a. Tổng quan về PLC S7-1200 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 PLC 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 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, có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT việc đếm, định thì, các phép toán phức hợp và việc truyền thông với các thiết bị thông minh khác. Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chương trình điều khiển: • Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép cấu hình việc truy xuất đến các chức năng của CPU. • Có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm trong một khối xác định. CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếp qua một mạng PROFINET. Các module truyền thông là có sẵn dành cho việc giao tiếp qua các mạng RS232 hay RS485. b. Cấu tạo PLC S7-1200 Hình 2.8: Thành phần PLC S7 – 1200 (1) Bộ phận kết nối nguồn. (2) Các bộ phận kết nối nối dây có thể tháo được và khe cắm thẻ nhớ nằm dưới nắp phía trên. (3) Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp. (4) Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU). Với các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp cho chúng ta tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật các loại CPU Chức năng CPU CPU 1212C CPU 1214C 1211C Kích thước vật lý 90 x 100 x 75 110 x 100 x 75 Bộ nhớ làm việc 25 kB 50 kB Bộ nhớ nạp 1MB 2MB Bộ nhớ giữ lại 2 kB 2 kB I/O tích hợp cục bộ 6 ngõ vào 8 ngõ vào 14 ngõ vào Kiểu số 4 ngõ vào 6 ngõ ra 10 ngõ ra Kiểu tương tự 2 ngõ ra 2 ngõ ra 2 ngõ ra Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q) Bộ nhớ bit (M) 4096e byte 8192 byte Độ mở rộng các module Không 2 8 tín hiệu Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái) Bảng tín hiệu 1 Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn) Thời gian lưu trữ đồng Thường thì tầm 10 ngày và ít nhất 6 ngày tại 400C hồ thời gian PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet Tốc độ thực thi tính toán 18 μs/lệnh Tốc độ thực thi Boolean 0.1 μs/lệnh Đối với họ S7-1200 sẽ cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu để mở rộng dung lượng của CPU. Có thể lắp đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT c. Các moudle mở rộng PLC S7-1200 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. Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số và quy định của nhà sản xuất.  S7-1200 có các loại module mở rộng sau: - Module truyền thông (CM). - Bảng tín hiệu (SB). - Module tín hiệu (SM).  Các đặc tính của module mở rộng như sau: Bảng 2.2: Đặc tính của các module mở rộng Moudle Ngõ vào Ngõ ra Kết hợp In/Out Module Kiểu số 8 x DC In 8 x DC Out 8 x DC In/8 x DC Out tín 8 x Relay Out 8 x DC In/8 x Relay Out hiệu(SM) 16 x DC In 16 x DC Out 16 x DC In/16 x DC Out 16 x Relay Out 16 x DC In/16 x Relay Out Kiểu 4 x Analog 2 x Analog Out 4 x Analog In/2 x Analog tương In 4 x Analog Out Out tự 8 x Analog In Bảng tín Kiểu số - - 2 x DC In/2 x DC Out hiệu Kiểu - 1 x Analog Out - (SB) tương BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT tự Module truyền thông (CM) RS485 RS232 d. Module truyền thông Bên cạnh tuyền thông ethernet được tích hợp sẵn, CPU s7-1200 có thể mở rộng được 3 module truyền thông khác nhau, giúp cho việc kết nối được linh hoạt. Hình 2.9: Module truyền thông RS485(CB 1241)  Các module truyền thông RS232 và RS485 có các đặc tính sau: - Cổng được cách ly. - Hỗ trợ các giao thức PtP. - Được cấu hình và được lập trình thông qua tập lệnh mở rộng và các hàm thư viện. - Hiển thị các hoạt động phát và thu bằng các LED. - Hiển thị một LED chẩn đoán. - Được cấp nguồn bởi CPU. Không cần có kết nối nguồn bên ngoài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 14 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT e. Nguyên lý hoạt động PLC S7 – 1200 Bộ vi xử lý sẽ lần lượt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị phụ trợ, thực hiện điều khiển logic được đặt ra bởi chương trình ứng dụng, thực hiện các tính toán và điều khiển các đầu ra tương ứng của PLC. Các PLC thế hệ cuối cho phép thực hiện các phép tính số học và các phép tính logic, bộ nhớ lớn hơn, tốc độ xử lý cao hơn và có trang bị giao diện với máy tính, với mạng nội bộ Bộ vi xử lý điều khiển chu kỳ làm việc của chương trình. Chu kỳ này được gọi là chu kỳ quét của PLC, tức là khoảng thời gian thực hiện xong một vòng các lệnh của chương trình điều khiển. Chu kỳ quét được minh họa ở hình sau : Hình 2.10: Chu kỳ quét của một PLC Khi thực hiện quét các đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu từ các thiết bị vào như công tắt, cảm biến Trạng thái của tín hiệu vào được lưu tạm thời vào một mảng nhớ. Trong thời gian quét chương trình, bộ xử lý quét lần lượt các lệnh của chương trình điều khiển, sử dụng các trạng thái của tín hiệu vào trong mảng nhớ để xác định các đầu ra đáp ứng hay không. Kết quả là các trạng thái của đầu ra được ghi vào mảng nhớ, PLC sẽ cấp hoặc ngắt điện cho các mạch ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi. Chu kỳ quét của PLC có thể kéo dài từ 1 đến 25ms. Thời gian quét đầu vào và đầu ra thường ngắn so với chu kỳ quét của PLC. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 15 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT f. Lập trình PLC S7-1200 Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic. Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens. Hiện nay được phát triển với phiên bản mới đó là TIA Potral V14SP1. 2.3.2 Biến Tần SIEMENS MICROMASTER 420 Micromaster 420 là loại biến tần mạnh mẽ nhất trong dòng các biến tần tiêu chuẩn. Khả năng điều khiển vector ổn định tốc độ hay khả năng điều khiển vòng kín bằng bộ PID có sẵn đem lại độ chính xác tuyệt vời cho các hệ thống truyền động quan trọng như các hệ nâng chuyển, các hệ thống định vị. Không chỉ có vậy, một loạt khối Logic có sẵn lập trình tự do cung cấp cho người dùng sự linh hoạt tối đa trong việc điều khiển hàng loạt thao tác một cách tự động. Hình 2.11: Biến tần SIEMENS MICROMASTER 420  Đặc điểm của MICROMASTER 420: - Thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt. - Điều khiển Vector vòng kín (Tốc độ/Moment). - Có nhiều lựa chọn truyền thông: PROFIBUS, Device Net, CANopen. - 3 bộ tham số trong 1 nhằm thích ứng biến tần với các chế độ hoạt động khác nhau. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 16 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Định mức theo tải Moment không đổi hoặc Bơm, Quạt. - Dự trữ động năng để chống sụt áp. - Tích hợp sẵn bộ hãm dùng điện trở cho các biến tần đến 75KW. - 4 tần số ngắt quãng tránh cộng hưởng lên động cơ hoặc lên máy. - Khởi động bám khi biến tần nối với động cơ quay. - Tích hợp chức năng bảo vệ nhiệt cho động cơ dùng PTC / KTY. - Khối chức năng Logic tự do: AND, OR, định thời, đếm. - Moment không đổi khi qua tốc độ 0. - Kiểm soát Moment tải. Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật (200V đến 240V 1 AC ± 10% 0,12 đến 3KW ) ; Điện áp vào và Công suất (200V đến 240V 3 AC ± 10% 0,12 đến 45KW) ; (80V đến 480V 3 AC ± 10% 0,37 đến 200KW) Tần số điện vào 47 đến 63Hz Tần số điện ra 0 đến 650Hz Hệ số công suất ≥ 0.95 Hiệu suất chuyển đổi 96 đến 97% Quá dòng 1,5 x dòng định mức trong 60 giây ở mỗi Khả năng quá tải 300 giây hay 2 x dòng định mức trong 3 giây ở mỗi 300 giây Dòng điện vào khởi động Thấp hơn dòng điện vào định mức Phương pháp điều khiển Tuyến tính V/f; bình phương V/f; đa điểm V/f; điều khiển dòng từ thông FCC, Vector, Moment Tần số điều rộng xung 2kHz đến 16kHz (ở bước 2kHz) (PWM) Tần số cố định 15, tuỳ đặt Dải tần số nhảy 4, tuỳ đặt BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 17 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Độ phân giải điểm đặt 10 bit analog: 0,01Hz giao tiếp nối tiếp (mạng) : 0,01Hz digital Các đầu vào số 6 đầu vào số lập trình được, cách ly. Có thể chuyển đổi PNP/NPN Các đầu vào tương tự 2 *0 tới 10V, 0 tới 20mA và —10 tới +10V Các đầu ra rơ le 3, tuỳ chọn chức năng 30VDC/5A (tải trở), 250VAC/2A (tải cảm) Các đầu ra tương tự 2, tuỳ chọn chức năng; 0,25 — 20mA Cổng giao tiếp nối tiếp RS-485, vận hành với USS protocol Tính tương thích điện từ Bộ biến tần với bộ lọc EMC lắp sẵn theo EN 55 011, Class A hay Class B (Tùy chọn) Hãm Hãm DC, hãm tổ hợp Cấp bảo vệ IP 20 Dải nhiệt độ làm việc CT -10oC đến +50oC : VT -10oC đến +40oC Nhiệt độ bảo quản -40⁰C đến +70⁰C Độ ẩm 95% không đọng nước Độ cao lắp đặt 1000m trên mực nước biển Thấp áp, quá áp, quá tải, chạm đất, ngắn mạch, Các chức năng bảo vệ chống kẹt, I2t quá nhiệt động cơ, quá nhiệt biến tần, khoá tham số PIN Phù hợp theo các tiêu Phù hợp với chỉ dẫn về thiết bị thấp áp 73/23/EC, chuẩn CE mark loại có lọc còn phù hợp với chỉ dẫn 89/336/EC Cỡ vỏ (FS) Cao x Rộng x Sâu kg : A (73 x 173 x 149 1,3) ; B (49 x 202 x 172 3,4) ; C(185 x 245 x Kích thước 195 5,7) ; D (75 x 520 x 245 17) ; E( 275 x 650 x 245 22) ; F (không lọc 350 x 850 x 320 56) ; F (có lọc 350 x 1150 x 320 75). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 18 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Các đầu nối mạch lực - Có thể tiếp cận với các đầu nối nguồn điện vào và các đầu nối của động cơ bằng cách tháo các phần vỏ máy phía trước. - Nới và tháo SDP (BOP/AOP) . - Đẩy phần vỏ các đầu nốixuống - Các đầu dây điều khiển Hình 2.12: Tháo phần mặt trước vỏ máy Hình 2.13: Các đầu mạch động lực BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 19 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.14: Các đầu vào tương tự và số Bảng 2.4: Đầu dây điều khiển Đầu dây Ký hiệu Chức năng 1 - Đầu nguồn ra +10V 2 - Đầu nguồn ra 0V 3 ADC+ Đầu vào tương tự (+) 4 ADC- Đầu vào tương tự (-) 5 DIN1 Đầu vào số số 1 6 DIN2 Đầu vào số số 2 7 DIN3 Đầu vào số số 3 8 - Đầu ra cách ly +24V/max. 100 mA 9 - Đầu ra cách ly 0V/max. 100 mA 10 RL1-B Đầu ra số / tiếp điểm NO 11 RL1-C Đầu ra số / chân chung BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 20 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 DAC+ Đầu ra tương tự (+) 13 DAC- Đầu ra tương tự (-) 14 P+ Cổng RS485 15 N- Cổng RS485  Cài đặt mặc định Bộ biến tần MCROMASTER 420 được cài đặt mặc định khi xuất xưởng sao cho có thể vận hành được mà không cần cài đặt thêm bất kỳ thông số nào nữa. Để đạt được điều này, các thông số của động cơ được kết nối với biến tần phải có thông số định mức phù hợp với thông số cài đặt mặc định (P0304, P0305, P0307, P0310) tương ứng với động cơ 1LA7 4 cực của Siemens (hãy xem các thông số định mức ghi trên nhãn). Bảng 2.5: Các thông số mặc định khác Các nguồn lệnh P0700 = 2 (Đầu vào số, xem hình 3-1) Nguồn điểm đặt P1000 = 2 (Đầu vào tương tự, xem hình 3-1) Chế độ làm mát động cơ P0335 = 0 Giới hạn dòng điện P0640 = 150% Tần số nhỏ nhất P1080 = 0 Hz Tần số lớn nhất P1082 = 50 Hz Thời gian tăng tốc P1120 = 10 s Chế độ điều khiển P1120 = 10 s Bảng 2.6: Bảng đấu nối Đầu vào/ Đầu ra Các đầu nối Thông số Chức năng Đầu vào số số 1 5 P0701 = 1 ON/OFF1 (I/O) Đầu vào số số 2 6 P0702 = 12 Đảo chiều BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 21 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Đầu vào số số 3 7 P0703 = 9 Xóa lỗi Đầu vào số 8 - Đầu số nguồn 3/4 P1000 = 2 Tần số đặt Đầu vào tương tự 1/2 - Đầu vào tương tự nguồn P0731 = Rơ le đầu vào 10/11 Nhận dạng mặc định 52.3 Đầu ra tương tự 12/13 P0771 = 21 Tần số đầu ra Bảng 2.7: Các nút và các chức năng Bảng điều Chức năng Ý nghĩa khiển/ Nút Hiển thị trạng thái Màn hình LCD hiển thị các chế độ cài đặt hiện hành của bộ biến tần. Khởi động bộ biến Ấn nút này làm cho bộ biến tần khởi động. tần Nút này không tác dụng ở mặc định Kích hoạt nút: BOP: P0700 = 1 hoặc P0719 = 1016 . AOP: P0700 = 4 hoặc P0719 = 40 46 trên đường truyền BOP. P0700 = 5 hoặc P0719 = 5056 trên đường truyền COM Dừng bộ biến tần OFF1 Ấn nút này khiến động cơ dừng theo đặc tính giảm tốc được chọn. Kích hoạt nút: hãy xem nút “Khởi động bộ biến tần”. OFF2 Ấn nút này hai lần (hoặc ấn một lần và giữ một khoảng thời gian) khiến động cơ dừng tự do BOP: Nút này luôn luôn có tác BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 22 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT dụng(không phụ thuộc vào thông số P0700 hoặc P0719) Đảo chiều Ấn nút này làm động cơ đảo chiều quay. Đảo chiều được hiển thị bằng dấu (-) hoặc điểm chấm nháy. Nút này không tác dụng ở mặc định Kích hoạt nút: hãy xem nút “Khởi động bộ biến tần”. Chạy nhấp động cơ Ở trạng thái sẵn sàng chạy, khi ấn nút này, động cơ khởi động và quay với tấn số chạy nhấp được cài đặt trước. Động cơ dừng khi thả nút này ra. Ấn nút khi động cơ đang làm việc không có tác động gì. Nút chức năng Nút này có thể dùng để xem thêm thông tin Khi ta ấn và giữ nút này hiển thị các thông tin sau, bắt đầu từ bất kỳ thôngsố nào trong quá trình vận hành: 1. Điện áp một chiều trên mạch DC (hiển thị bằng d- đơn vị V). 2. Dòng điện ra (A). 3. Tần số ra (Hz).4. Điện áp ra (hiển thị bằng o- đơn vị V). 5. Giá trị được chọn trong thông số P0005 (Nếu như P0005 được cài đặt để hiển thị bất kỳ giá trị nào trong số các giá trị từ1-4 thì giá trị này không được hiển thị lại). Ấn thêm sẽ làm quay vòng các giá trị trên bảng hiển thị. Chức năng nhảy Từ bất kỳ thông số nào (ví dụ rxxxx hoặc Pxxxx), ấn nhanh nút Fn sẽ ngay lập tức nhảy đến r0000, sau đó người sử dụng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 23 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT có thể thay đổi thông số khác, nếu cần thiết. Nhờ tính năng quay trở về r0000, ấn nút Fn sẽ chophép người sử dụng quay trở về điểm ban đầu. Giải trừ Nếu xuất hiện các cảnh báo và các thông báo lỗi, thì các thông tin này có thể được giải trừ bằng cách ấn nút Fn. Truy nhập thông số Ấn nút này cho phép người sử dụng truy nhập tới các thông số. Tăng giá trị Ấn nút này làm tăng giá trị được hiển thị. Giảm giá trị Ấn nút này làm giảm giá trị được hiển thị. Trình đơn AOP Gọi trình đơn AOP ngay lập tức (chức năng này chỉ có ở AOP). + 2.3.3 Dây nhiệt điện trở (thermistor) Dây nhiệt điện trở hay còn được gọi là dây mayso có tác dụng chuyển điện năng thành nhiệt năng trong quá trình cản trở dòng điện. Dây Điện Trở thường sử dụng trong Lò điện trở để biến đổi điện nă