Thiết kế mô hình công nghệ in khăn dùng PLC S7-200

hành một cách tốt nhất có thể. Chính luận văn tốt nghiệp là điều kiện để đánh giá lại những kiến thức đã học tập trong suốt quá trình rèn luyện trên giảng đường đại học. Đó còn là thử thách cuối cùng trước khi tiếp cận với thực tế khi ra trường. Để hoàn thành luận văn, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự giúp đỡ tận tình từ các thầy cô và bạn bè. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ chân tình quí báu đó! Cảm ơn các thầy cô đã dạy dỗ, cung cấp kiến thức cho tôi khi ngồi trên ghế nhà trường! Xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Thanh Luân đã nhiệt tình hướng dẫn tôi thực hiện đồ án này ! Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 2 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 3 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Trong thời đại công nghiệp hóa-hiện đại hóa hiện nay, máy móc đang dần thay thế sức lao động của con người. Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và kỹ thuật trruyền thông, ngành tự động hóa góp phần làm bàn đạp cho sự phát triển ngành công nghiệp trong thế kỷ mới. Trong công nghiệp ứng dụng hiện nay, có một thiết bị điều khiển quan trọng và được sử dụng rộng rãi do tính chắc chắn, an toàn với môi trường công nghiệp mang lại hiệu quả cao, đó là PLC S7-200. Và một trong những ngành ứng dụng rộng rãi PLC hiện nay là in ấn. Ở lĩnh vực ngành may mặc, muốn cho ra đời một sản phẩm đẹp, bắt mắt không thể thiếu công đoạn in ấn. Ngành in giúp tạo ra sản phẩm hoàn thiện hơn, đẹp hơn dễ tiếp cận người tiêu dùng hơn. Đó cũng là lĩnh vực mà tôi chọn để thực hiện luận văn tốt nghiệp. Trong luận văn này, tôi đã hoàn thành đề tài: thiết kế mô hình công nghệ in khăn dùng PLC S7-200. In hoa là hình thức nhuộm màu từng phần trên mặt vải, khăn, chuyền hình ảnh, màu sắc hoa văn lên vải, khăn. Vải được ngấm ép dung dịch thuốc nhuộm và các chất hòa tan lên mặt vải. In hoa cùng lúc in được nhiều màu trên mặt vải và lượng màu đưa trên mặt vải phải vừa đủ so với diện tích đã thiết kế, nếu ít quá không đủ ngấm, nếu dư sẽ nhòe không sắc nét. Vì vậy để thực hiện đưa màu lên vải phải pha thuốc nhuộm là dung dịch keo có độ nhớt vừa đủ giữ cho thuốc nhuộm nằm lại trên khuôn khi máy chạy. Trong thời gian ngắn ngủi, nhưng với sự nỗ lực của bản thân, tôi đã hoàn thành đồ án một cách tốt nhất có thể. Tuy nhiên, với vốn kiến thức có hạn, lại thực hiện một người nên không thể không có những thiếu sót. Kính mong quí thầy cô thông cảm và có những kiến nhận xét quí báu để tôi có thể trau dồi thêm kinh nghiệm trước khi ra trường! Tôi xin chân thành cảm ơn! Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 4 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ PLC 2.1 Sơ lược về sự phát triển của PLC Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (programmable controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Moto_Mỹ) . Tuy nhiên hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống vẫn khó khăn do lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vi hỗ trợ cho công việc lập trình. Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (programmable controller handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969. Điều này đã tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình. Trong giai đoạn này, các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển. Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống: dạng lập trình dùng giản đồ hình thang ( The diagroom format). Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có khả năng vận hành với những thuật toán hỗ trợ ( arithmetic), “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (data manipulation). Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính (Cathode Ray tube:CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn. Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệ thống ngõ vào/ra có thể tăng lên đến 8000, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128000 từ (word of memory). Ngoài ra, các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 5 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp, số lượng cổng vào/ ra lớn. Trong tương lai, hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad / Cam… mà các nhà thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển “thông minh” (intelligence) còn gọi là các siêu PLC (super PLCS) cho tương lai. 2.2 Cấu trúc của PLC Một hệ thống điều khiển lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lý trung tâm (CPU:Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/O). Hình 1.1:Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình. Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm 3 phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp. Hình 1.2 mô tả ba phần cấu thành một PLC PLC kết nối với thế giới bên ngoài qua: • Các ngõ vào rời rạc (discrete inputs) Processo Memory Power Supply in p ut Central Processing Unit out put M M Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 6 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân • Các ngõ ra rời rạc ( discrete outputs) • Các ngõ vào tương tự (analog inputs) • Các ngõ ra tương tự (analog outputs) 2.3 Hoạt động cơ bản của PLC: Về cơ bản hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản. Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/ ra (Input/Output) (còn gọi là các modul xuất /nhập) dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU ( như các sensor, công tắc, tín hiệu từ động cơ…). Sau khi nhận được tín hiệu ở ngõ vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua Modul xuất ra các thiết bị được điều khiển. Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét (scan) dữ liệu hoặc trang thái của thiết bị ngoại vi thông qua ngõ vào, sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau: một bộ đếm chương trình sẽ nhặt lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh để thi hành. Chương trình ở dạng STL (Statement List-dạng lệnh liệt kê) sẽ được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình. Sau khi thực hiện xong chương trình, CPU sẽ gởi hoặc cập nhật (Update) tín hiệu tới các thiết bị, được thực hiện thông qua modul xuất. Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình và gởi cập nhật tín hiệu ở ngõ ra được gọi là một chu kỳ quét (Scaning). Trên đây chỉ là mô tả hoạt động đơn giản của một PLC, với hoạt động này sẽ giúp cho người thiết kế nắm được nguyên tắc của một PLC. Nhằm cụ thể hóa hoạt động của một PLC, sơ đồ hoạt động của một PLC là một vòng quét (Scan) như sau: Hình 1.3:Một vòng quét của một PLC Read in put (đọc ngõ vào) Program execution (thực hiện chương trình) Up date Output (Cập nhật ngõ ra) Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 7 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân Thực tế, khi thực hiện chương trình (Program execution) PLC cập nhật tín hiệu ngõ vào (On/Off), các tín hiệu hiện nay không được truy xuất tức thời để đưa ra (Update) ở ngõ ra mà quá trình cập nhật tín hiệu ở ngõ ra (On/Off) phải theo 2 bước: khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý sẽ chuyển đổi các bước logic tương ứng ở ngõ ra trong “chương trình nội”(đã được lập trình), các bước logic này sẽ chuyển đổi On/Off. Tuy nhiên, lúc này các tín hiệu ở ngõ ra “that” (tức tín hiệu được đưa ra tại modul out) vẫn chư được đưa ra. Khi kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi các mức logic (của các tiếp điểm) đã hoàn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở ngõ ra mới thực sự tác động lên ngõ ra để điều khiển các thiết bị ở ngõ ra. Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với một thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện từ 1ms tới 100ms. Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi (màn hình hiển thị…). Vi xử lý có thể đọc được tín hiệu ở ngõ vào chỉ khi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý coi như không có tín hiệu này. Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thường các hệ thống chấp hành “là các hệ thống cơ khí nên có tốc độ quét như trên có thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyền sản xuất. Để khắc phục thời gian quét dài ảnh hưởng đến chu trình sản xuất,các nhà thiết kế còn thiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời, các hệ thống này thường được áp dụng cho các PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn. 2.4 Các loại tín hiệu 2.4.1 Các tín hiệu vào rời rạc Là tín hiệu có giá trị ON (mở) hay OFF (tắt), mà còn được gọi là tín hiệu vào số (digital input signal). Ví dụ các ngõ vào rời rạc từ: • Nút nhấn (push button) • Công tắc hành trình (limit switch) • Công tắc áp suất (pressure switch)… Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 8 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân 2.4.2 Các tín hiệu vào tương tự Là tín hiệu liên tục, ví dụ 0 đến 20mA, 0 đến 10VDC,…mà thay đổi khi điều kiện quá trình thay đổi. Các giá trị vào tương tự từ: • Cảm biến mức (level sensor) • Cặp nhiệt điện (thermocouple) • Cảm biến khối lượng (load cell)… 2.4.3 Các tín hiệu ra rời rạc Là tín hiệu có giá trị ON (mở) hay OFF (tắt) dùng để tác động các thiết bị ngoài ON hay OFF, mà còn được gọi là tín hiệu vào số (digital input signal). Các ngõ ra tác động đến: • Đèn chỉ thị • Cuộn dây rơle/contactor… 2.4.4 Các tín hiệu ra tương tự Là tín hiệu liên tục, ví dụ: 0 đến 20mA, 0 đến 10VDC…Các ngõ ra tương tự tác động đến: • Định vị trí valve (van) • Điều khiển tốc độ động cơ 2.5 Các ứng dụng chính của PLC PLC có 2 ứng dụng chính là: • Điều khiển máy ( machine control). • Điều khiển quá trình (process control). Điều khiển máy: sử dụng với các ứng dụng thực hiện các công việc với tín hiệu rời rạc (THINGS) và các ứng dụng này thông thường sử dụng phần lớn các ngõ vào và ra tương tự (analog) hay còn gọi là các tín hiệu liên tục. Khi áp dụng PLC ta có thể sử dụng 1 trong 2 kiểu điều khiển trên hoặc kết hợp cả hai Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 9 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN VÀ LẬP TRÌNH PLC 3.1 Phân loại PLC Đầu tiên là khả năng và giá trị cũng như nhu cầu về hệ thống sẽ giúp người sử dụng dùng những loại PLC nào mà họ cần. Nhu cầu về hệ thống được xem như là một nhu cầu ưu tiên, nó giúp người sử dụng biết cần loại PLC nào và đặc trưng của từng loại để dễ dàng lựa chọn. Hình trên cho ta các “bậc thang” phân loại các PLC và việc sử dụng PLC cho phù hợp với các hệ thống sản xuất thực tế. Trong hình này ta có thể nhận thấy những vùng chồng lên nhau, ở những vùng này người sử dụng cần phải sử dụng các loại PLC đặc biệt như: số lượng cổng vào/ra (I/O) có thể sử dụng ở vùng có số I/O thấp nhưng lại có các tính năng đặc biệt của các PLC ở vùng có số lượng I/O cao .Ví dụ:ngoài các cổng vào/ra tương tự (Analog), thường người ta sử dụng các loại PLC thuộc vùng chồng lấn nhằm tăng tính năng của PLC đồng thời lại giảm thiểu số lượng I/O không cần thiết. Các nhà thiết kế phân PLC ra thành các loại sau: 3.1.1 Loại 1: Micro PLC(PLC siêu nhỏ). Micro PLC thường được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất nhỏ, các ứng dụng trực tiếp trong từng thiết bị đơn lẻ (vídu: điều khiển băng tải nhỏ. Các PLC này thường được lập trình cầm tay, một vài micro PLC còn có khả năng hoạt đông với tín hiệu I/O tương tự (analog) (vídụ:việc điều khiển nhiệt độ ). Các tiêu chuẩn của một Micro PLC như sau: • 32 ngõ vào/ra. • Sử dụng vi xử lý 8 bit. • Thường dùng thay thế rơle. • Bộ nhớ có dung lượng 1K. • Ngõ vào/ra là tín hiệu số . • Có timers và counters . Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 10 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân • Thường được lập trình bằng các bộ lập trình cầm tay . 3.1.2 Loại2: PLC cỡ nhỏ (SmallPLC) Small PLC thường được dùng trong việc điều khiển các hệ thống nhỏ (vídụ: Điều khiển động cơ, dây chuyền sản xuất nhỏ). Chức năng của các PLC này thường được giới hạn trong việc thực hiện chuỗi các mức logic, điều khiển thay thế rơle. Các tiêu chuẩn của một small PLC như sau: • Có 128 ngõ vào/ra (I/O). • Dùng vi xử lý 8 bit. • Thường dùng để thay thế các rơle. • Dùng bộ nhớ 2K. • Lập trình bằng ngôn ngữ dạng hình thang (ladder) hoặc liệt kê. • Có Timers/ counters/ thanh ghi dịch (shift registers). • Đồng hồ thời gian thực. • Thường được lập trình bằng bộ lập trình cầm tay. Chú ý vùng A trong sơ đồ hình 1.4. Ở đây dùng PLC nhỏ với các chức năng tăng cường của PLC cỡ lớn hơn như: thực hiện các thuật toán cơ bản, có thể nối mạng, cổng vào/ ra có thể sử dụng tín hiệu tương tự. Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 11 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân Hình 1.4: Cách dùng các loại PLC 3.1.3 Loại 3: PLC cỡ trung bình (Medium PLCS) PLC trung bình có hơn 128 đường vào/ ra, điều khiển được các tín hiệu tương tự, xuất nhập dữ liêu, ứng dụng được các thuật toán, thay đổi được các đặc tính của PLC nhờ vào hoạt động của phần cứng và phần mềm (nhất là phần mềm).Các thông số của PLC trung bình như sau: • Có khoảng 1024 ngõ vào/ra (I/O). • Dùng vi xử lý 8 bit. • Thay thế rơle và điều khiển được tín hệu tương tự. • Bộ nhớ 4K, có thể nâng lên thành 8K. • Tín hiệu ngõ vào/ ra là tương tự hoặc số. • Có các lệnh dạng khối và ngôn ngữ lập trình là ngôn ngữ cấp cao. • Có timers/ countes/ Shift Register. A B C 1 2 3 4 5 Số I/O 32 64 128 512 1024 2048 4096 8192 Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 12 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân • Có khả năng xử lý chương trình con (qua lệnh JUMP…). • Thực hiện các thuật toán (cộng, trừ, nhân, chia…). • Giới hạn dữ liệu với bộ lập trình cầm tay. • Có đường tín hiệu đặc biệt ở modul vào/ ra. • Giao tiếp với các thiết bị khác qua cổng RS 232. • Có khả năng hoạt động với mạng. • Lập trình qua CRT (Cathode Ray Tube) để dễ quan sát. Chú ý tới vùng B (hình 1.4). PLC ở vùng B thường trực được dùng do có nhiều bộ nhớ hơn, điều khiển mạng PID có khả năng thực hiện những chuỗi lệnh phần lớn về thuật toán hoặc dữ liệu. 3.1.4 Loại 4: PLC cỡ lớn (large PLC) Large PLC được sử dụng rộng rãi hơn do có khả năng hoạt động hữu hiệu, có thể nhận dữ liệu, báo những dữ liệu đã nhận…Phần mềm cho thiết bị điều khiển cầm tay được phát triển mạnh hơn tạo thuận lợi cho người sử dụng. Tiêu chuẩn PLC cỡ lớn: ngoài các tiêu chuẩn PLC cỡ trung, PLC cỡ lớn còn có thêm các tiêu chuẩn sau: • Có 2048 cổng vào/ra (I/O). • Dùng vi xử lý 8 bit hoặc 16 bit. • Bộ nhớ cơ bản có dung lượng 12K, mở rộng lên được 32 K. • Local và remote I/O. • Điều khiển hệ thống rơle (MCR: Master Control Relay). • Chuỗi lệnh, cho phép ngắt (Interrupts). • PID hoặc làm vệc với hệ thống phần mềm PID. • Hai hoặc nhiều hơn cổng giao tiếp RS232. • Nối mạng. • Dữ liệu điều khiển mở rộng, so sánh, chuyển đổi dữ liệu, chức năng giải thuật toán mã điều khiển mở rộng (mã nhị phân, hexa…). Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 13 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân • Có khả năng giao tiếp giữa máy tính và các module. 3.1.5 Loại 5: PLC rất lớn (very large PLCs) PLC rất lớn được dùng trong các ứng dụng đòi hỏi sự phức tạp và chính xác cao, đồng thời dung lượng chương trình lớn. Ngoài ra PLC loại này còn có thể giao tiếp I/O với các chức năng đặc biệt. Tiêu chuẩn PLC loại này ngoài các chức năng như PLC loại lớn còn có thêm các chức năng: • Có 8192 cổng vào/ ra (I/O). • Dùng vi xử lý 16 bit hoặc 32 bit. • Bộ nhớ 64 K, mở rộng lên được 1M. • Thuật toán: +, -, *, /, bình phương. • Dữ liệu điều khiển mở rộng: bảng mã ASCII, LIFO, FIFO. 3.2. Các đặc tính của Micro PLC S7-200 Họ S7-200 bao gồm một dãi rộng các CPU. Bảng 2-1 cho thấy tóm tắt các đặc tính chính của họ S7-200. Bảng 3-1: Đặc tính chính của họ S7-200 với các CPU khác nhau Đặc tính CPU 221 CPU222 CPU224 CPU226 Bộ nhớ chương trình 4 K Bytes 4K Bytes 8K Bytes 8K Bytes Bộ nhớ dữ liệu 2 K Bytes 2K Bytes 5K Bytes 5K Bytes Thời gian thực hiện cho 1 Klệnh nhị phân 0,37ms 0,37ms 0,37ms 0,37ms Bộ nhớ bit 256 256 256 256 Bộ đếm/timers 256/256 256/256 256/256 256/256 Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 14 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân Số ngõ vào/ra số max 10 DI/10DO được tích hợp sẵn 6DI/ 4DO 78DI/ 14DO được tích hợp sẵn 8DI/ 6DO 168DI/24DI được tích hợp sẵn 14DI/10DO 248DI/ 40DO được tích hợp sẵn 24DI/16DO Số ngõ vào/ra analog max Không có 10 (8AI, 2AO) hoặc 4 (4AO) 35 (28AI, 7AO) hoặc 14 (14AI) 35 (28AI, 7AO) hoặc 14 (14AI) Cổng giao tiếp 1 RS485 (PPI) (điểm-điểm) 1 RS485 (PPI) (điểm- điểm) 1 RS485 (PPI) (điểm-điểm) 2 RS485 (PPI) (điểm-điểm) Mạng làm việc MPI AS, MPI PROFIBUS- DP AS, MPI PROFIBUS- DP AS, MPI PROFIBUS- DP Đồng hồ thời gian thực Tùy chọn Tùy chọn Tích hợp sẵn Tích hợp sẵn 3.3So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác. 3.3.1 Việc sử dụng PLC và các hệ thống điều khiển khác 3.3.1.1 PLC với hệ thống điều khiển bằng rơle Việc phát triển hệ thống điều khiển bằng lập trình đã dần thay thế từng bước hệ thống điều khiển bằng rơle. Trong các quá trình sản xuất, khi thiết kế một hệ thống điều khiển hiện đại, người kỹ sư phải cân nhắc, lựa chọn giữa các hệ thống điều khiển lập trình thường được sử dụng thay cho hệ thống điều khiển bằng rơle do các nguyên nhân sau: • Thay đổi trình tự điều khiển một cách linh động. • Có độ tin cậy cao. • Khoảng không lắp đặt thiết bị nhỏ, không chiếm diện tích. • Có khả năng đưa tín hiệu điều khiển ở ngõ ra cao. • Sự chọn lựa dữ liệu một cách thuận lợi, dễ dàng. • Thay đổi trình tự điều khiển một cách thường xuyên. Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 15 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân • Dễ dàng thay đổi đối với cấu hình (hệ thống máy móc sản xuất) trong tương lai khi có nhu cầu mở rộng sản xuất. Đặc trưng cho hệ thống điều khiển chương trình là phù hợp với những nhu cầu đã nêu trên, đồng thời về mặt kinh tế và thời gian thì hệ thống điều khiển lập trình cũng vượt trội hơn so với hệ thống điều khiển cổ điển (rơle,contactor…). Hệ thống điều khiển này cũng phù hợp với sự mở rộng hệ thống trong tương lai do không phải đổi, bỏ hệ thống dây nối giữa hệ thống điều khiển và các thiết bị, mà chỉ đơn giản là thay với máy tính. Cấu trúc giữa máy đổi chương trình cho phù hợp với điều kiện sản xuất mới. 3.3.1.2 PLC với máy tính Với PLC đều dựa trên bộ xử lý (CPU) để xử lý dữ liệu. Tuy nhiên có một vài cấu trúc quan trọng cần phân biệt để thấy rõ sự khác biệt giữa một PLC và một máy tính. • Không như một máy tính, PLC được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong môi trường công nghiệp. Một PLC có thể được lắp đặt ở những nơi có độ nhiễu điện cao (electrical noise), vùng có từ trường mạnh, có các chấn động cơ khí, nhiệt độ môi trường cao… • Điều quan trọng thứ hai đó là: một PLC được thiết kế với phần cứng và phần mềm sao cho dễ lắp đặt (đối với phần cứng), đồng thời về một chương trình cũng phải dễ dàng để người sử dụng (kỹ sư, kỹ thuật viên) thao tác lập trình một cách nhanh chóng, thuận lợi (ví dụ: lập trình bằng ngôn ngữ hình thang). 3.3.1.3 PLC với máy tính cá nhân (PC: personal computer) Đối với một máy tính cá nhân (PC), người lập trình dễ nhận thấy sự khác biệt giữa PC với PLC, sự khác biệt có thể biết được như sau: • Máy tính không có các cổng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị điều khiển, đồng thời máy tính cũng hoạt động không tốt trong môi trường công nghiệp. • Ngôn ngữ lập trình trên máy tính không phải dạng hình thang. Máy tính ngoài việc sử dụng các phần mềm chuyên biệt cho PLC, còn phải thông qua việc sử dụng các Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 16 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân phần mềm khác làm “chậm” đi các quá trình giao tiếp với các thiết bị được điều khiển. • Tuy nhiên qua máy tính, PLC có thể dễ dàng kết nối với các hệ thống khác, cũng như PLC có thể sử dụng bộ nhớ (có dung lượng rất lớn) của máy tính làm bộ nhớ của PLC. 3.3.2 Lợi ích của việc sử dụng PLC Cùng với sự phát triển của phần cứng cũng như phần mềm, PLC ngày càng tăng được các tính năng cũng như lợi ích trong hoạt động công nghiệp. Kích thước của PLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O càng nhiều hơn. Các ứng dụng của PLC càng mạnh hơn giúp người sử dụng giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống. Lợi ích đầu tiên của PLC là hệ thống điều khiển chỉ cần lắp đặt một lần (đối với sơ đồ hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngõ vào/ra…) mà không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tự điều khiển (đối với hệ thống điều khiển rơle…); khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC để truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống được điều khiển linh hoạt hơn. Không như các hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng lắp đặt do chiếm một khoảng không gian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống khác. Điều này càng tỏ ra thuận lợi hơn đối với các hệ thống điều khiển lớn, phức tạp, và quá trình lắp đặt hệ thống PLC ít tốn thời gian hơn các hệ thống khác. Cuối cùng, người sử dụng có thể nhận biết các trục trặc hệ thống của PLC nhờ giao diện màn hình máy tính (một số PLC thế hệ sau có khả năng nhận biết các hỏng hóc của hệ thống và báo cho người sử dụng), điều này làm cho việc sữa chữa thuận lợi hơn. Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 17 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân 3.4 Một vài lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của PLC Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất, cả trong công nghiệp và dân dụng. Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản chỉ có chức năng đóng mở thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất. Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm: • Hóa học và dầu khí: định áp suất dầu, bơm dầu, điều khiển hệ thống ống dẫn, cân đong trong ngành hóa… • Chế tạo máy và sản xuất: tự động hóa trong chế tạo máy, cân đong, quá trình lắp đặt máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại… • Bột giấy, giấy, xử lý giấy: điều khiển máy băm, quá trình ủ bột, quá trình cán, gia nhiệt… • Thủy tinh và phim ảnh: quá trình đóng gói, thí nghiệm vật liệu, cân đong, các khâu hoàn tất sản phẩm, đo cắt giấy. • Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm, kiểm soát quá trình sản xuất, bơm (bia, nước trái cây…), cân đong, đóng gói, hòa trộn… • Kim loại: điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), qui trình sản xuất, kiểm tra chất lượng. • Năng lượng: điều khiển năng lượng (cho quá trình đốt, xử lý trong các tua bin…), các trạm cần hoạt động tuần tự, khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ…). Trong đề tài này, tôi sử dụng PLC SIMATIC S7_200 của hãng Siemen nên giới thiệu sơ lược về PLC SIMATICS7_200. 3.5 Phần mềm lập trình Step 7 Micro /Win 32 Version 3.0 3.5.1 Các yêu cầu về phần cứng và phần mềm ¾ Bộ vi xử lý và bộ nhớ được đề nghị: máy vi tính với CPU 80586 hoặc version lớn hơn với ít nhất 32 MB RAM, hoặc thiết bị lập trình của Siemens (như PG 740). ¾ Bộ vi xử lý và bộ nhớ tối thiểu: CPU 80586 hoạt động ở 60MHz với 16 MB RAM. Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 18 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân ¾ Hệ điều hành: Microsoft Window 95, Window 98, hoặc Window NT 4.0. ¾ Vùng đĩa cứng trống tối thiểu 20MB, trên ổ đĩa có Windows với tối thiểu trống 50MB. ¾ Màn hình VGA có hỗ trợ của Microsoft Windows và có độ phân giải tối thiểu 800x 600 pixel ¾ Nhiệm ý nhưng được đề nghị: bất cứ mouse nào được hỗ trợ của Microsoft Windows. ¾ Một trong các bộ thiết bị sau: • Cáp PC/PPI được nối với các cổng truyền thông (PC COM1 hoặc COM2) • Card CP ( communications processor=xử lý truyền thông) và cáp MPI (multipoint interface= giao tiếp đa điểm) • Card MPI (có cáp truyền thông cùng với card MPI). 3.5.2 Thủ tục cài đặt (với phiên bản CD ROM) Hệ điều hành đang sử dụng Windows 95, Windows 98, hoặc Windows NT 4.0. Đóng tất cả các ứng dụng bao gồm thanh công cụ MS-Office trước khi cài đặt STEP7- Micro/WIN 32. Các ứng dụng khác có sử dụng cùng một bộ các tập tin hệ thống phải được đóng lại để cài đặt STEP 7-Micro/WIN 32. Sau đó theo các bước sau: • Đặt CD ROM có STEP 7- Micro/WIN 32 vào ổ đĩa CD ROM. • Chuyển đến thư mục “MICROWIN” • Click kép vào chương trình “SETUP.EXE”. • Theo các hướng dẫn trên màn hình để hoàn tất cài đặt. 3.5.3 Tìm hiểu cấu trúc một tập tin STEP 7 Trong STEP-Micro/WÌN thì project (dự án, tập tin có đuôi là mwp [Micro WIN project] để chỉ việc kết hợp chương trình của bạn với tất cả các thông tin cần thiết để bạn liên lạc với PLC và download (nạp xuống) chương trình có sẵn vào PLC cụ thể. Một project có 5 thành phần cơ bản: Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 19 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân Program Block (khối chương trình): được tạo từ mã thực thi và chú thích. Mã thực thi gồm một chương trình chính (OB1) và một số chương trình con hoặc một số chương trình phục vụ interrupt (ngắt). Data Block (khối dữ liệu): được tạo từ dữ liệu (các trị bộ nhớ ban đầu; các hằng số) và các chú thích. Dữ liệu được biên dịch và được chép vào PLC, còn chú thích thì không. System Block (khối hệ thống): bao gồm thông tin cấu hình như các tham số truyền thông, các dãy dữ liệu lưu trữ (retentive data ranges), các bộ lọc ngõ vào analog (tương tự) và digital (số), các giá trị xuất khi chuyển tiếp STOP và thông tin mật khẩu. Thông tin khối hệ thống được chép vào PLC. Symbol Table (bảng ký hiệu): là phương tiện cho phép người lập trình sử dụng định địa chỉ theo ký hiệu (symbolic addressing). Các ký hiệu đôi khi thuận tiện hơn cho người lập trình và làm cho dễ theo dõi logic chương trình. Chương trình đã được biên dịch khi chép vào PLC sẽ đổi tất cả các ký hiệu thành các địa chỉ tuyệt đối. Status Chart (bảng trạng thái): thông tin bảng ký hiệu không được chép vào PLC. 3.6 Ngôn ngữ lập trình của S7_200 3.6.1 Các thành phần của S7_200 Đặc tính của S7_200 với CPU 224: ¾ Bộ nhớ chương trình 8K bytes. Có thời gian thực hiện cho 1 K lệnh nhị phân:0,37ms. ¾ Bộ nhớ bit:256. ¾ Bộ nhớ đếm:256. ¾ Timer:256. ¾ Số ngõ vào /ra (số max) :168DI / 24 DO được tích hợp sẵn 14DI/10DO. ¾ Số ngõ vào /ra Analog max: 35 (28AI, 7AO) hoặc 14(14AI). ¾ Cổng giao tiếp RS 458 (PPI). ¾ Mạng làm việc AS, MPI, PROFIBUS, DP. Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 20 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân ¾ Đồng hồ thời gian thực: tích hợp sẵn. ¾ Các thành phần chính của S7_200 Micro PLC gồm: 1 S7_200 CPU hoặc có thêm các khối mở rộng tùy chọn. ¾ S7_200 CPU kết hợp CPU nguồn điện và các điểm xuất nhập rời rạc vào một thiết bị độc lập và nhỏ gọn. ¾ Các khối mở rộng EM (Expansim Modules). ¾ S7_200 CPU cung cấp một số nhất định các ngõ xuất /nhập thì ta sử dụng các khối EM. • Khối nhập số 8 kênh (8DI). • Khối xuất số 8 kênh (8DO). • Khối xuất nhập số 8 kênh (4DI+4DO). • Khối nhập analog 3 kênh (3AI). • Khối xuất nhập analog 4 kênh (3AI+1AO). • .CPU 224 tối đa 7 khối EM. 3.6.2 Phương pháp lập trình S7_200 biểu diễn một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh lập trình. S7_200 thực hiện chương trình bắt đầu từ lệnh lập trình đầu tiên và kết thúc ở lệnh cuối trong một vòng. Một vòng như vậy được gọi là vòng quét. Một vòng quét (scan cycle) được bắt đầu bằng việc đọc trạng thái của đầu vào và sau đó thực hiện chương trình. Scan cycle kết thúc bằng việc thay đổi trạng thái đầu ra. Trước khi bắt đầu một vòng quét tiếp theo, S7_200 thực thi các nhiệm vụ bên trong và nhiệm vụ truyền thông. Chu trình thực hiện chương trình là chu trình lặp. Cách lập trình cho S7_200 nói riêng và cho các PLC của Siemen nói chung dựa trên 2 phương pháp lập trình cơ bản: phương pháp hình thang (Ladder logic, viết tắt là LAD) và phương pháp liệt kê lệnh (Statement List, viết tắt là STL). Nếu chương trình được viết theo kiểu LAD, thiết bị lập trình sẽ tự tạo ra một chương trình theo kiểu STL tương ứng. Nhưng ngược lại không phải mọi chương trình được viết theo kiểu STL cũng có thể chuyển được sang Lader Diagram LAD. Quy trình in khăn ứng dụng PLC S7-200 Trang 21 SVTH: Trần Quan Thái GVHD: Bùi Thanh Luân Định nghĩa về LAD: LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa. Những thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơle. Trong chương trình LAD, các phần tử cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic như sau: • Tiếp điểm: là biểu tượng (symbol) mô tả các tiếp điểm của rơle. Các tiếp điểm đó có thể là thường mở hoặc thường đóng. • Cuộn dây (coil): là biểu tượng mô tả các rơle được mắc theo chiều dòng điện cung cấp cho rơle. • Hộp (box): là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau, nó làm việc khi có dòng điện chạy đến hộp. Những dạng hàm thường được biểu diễn bằng hộp là các bộ định thời gian (Timer), bộ đếm (Count._.