(Đồ án hcmute) nghiên cứu ứng dụng chức năng điều khiển dự phòng của plc allen bradley
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (9.87 MB, 88 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHỨC NĂNG
ĐIỀU KHIỂN DỰ PHỊNG CỦA PLC ALLEN - BRADLEY
GVHD: TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN
SVTH: NGUYỄN LÊ THIÊN HẰNG
MSSV: 11151198
SVTH: TỐNG VĂN NGỌC THANH
MSSV: 11151065
SKL 0 0 3 9 3 9
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
do an
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH
KHOA: ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHỨC NĂNG
ĐIỀU KHIỂN DỰ PHÒNG
CỦA PLC ALLEN - BRADLEY
GVHD : TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN
SVTH : 11151198 NGUYỄN LÊ THIÊN HẰNG
11151065 TỐNG VĂN NGỌC THANH
NGÀNH: CNKT ĐIỀU KHIỂN – TỰ ĐỘNG HĨA
KHĨA : 2011 - 2015
TP.HỒ CHÍ MINH – 7/2015
do an
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
PHẦN I
GIỚI THIỆU
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
i
do an
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – T
o – Hạnh phúc
----***----
Tp. Hồ Chí Minh, ngày--- tháng--- năm 2014
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: NGUYỄN LÊ THIÊN HẰNG
MSSV: 11151198
TỐNG VĂN NGỌC THANH
MSSV: 11151065
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển & T động hóa
Lớp: 11151CL2
Giảng viên hƣớng dẫn: TS. TRƢƠNG ĐÌNH NHƠN
Ngay nhận đề tài: 17/03/2015
Ngày nộp đề tài: 15/07/2015
1. Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN DỰ
PHÒNG CHO PLC ALLEN – BRADLEY”
2. Các số liệu, tài liệu ban đâu:
- 1756 ControlLogix I/O Redundancy
- Logix Software Output Switching
3. Nội dung th hiện đề t i:
- Thiết kế hệ thống d phòng cho mạng ControlNet
- Điều khiển tố độ động ơ thông qua mạng d phòng
4. Sản phẩm:
Hệ thống điều khiển giám sát tố độ động ơ qua mạng PLC có chứ năng
phịng
TRƢỞNG NGÀNH
GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ii
do an
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc
*******
PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
Họ v tên Sinh viên: NGUYỄN LÊ THIÊN HẰNG MSSV: 11151198
TỐNG VĂN NGỌC THANH
MSSV: 11151065
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển & T động hóa
Tên đề t i:
Nghiên cứu ứng dụng chức năng điều khiển dự phòng của PLC Allen - Bradley
Họ v tên Giáo viên hƣớng dẫn: TS. TRƢƠNG ĐÌNH NHƠN
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề t i & khối lƣợng th
hiện:
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
2. Ƣu điểm:
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
3. Khuyêt điểm:
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
4. Đề ngh ho ảo vệ hay không?
................................................................................................................................................
5. Đánh giá loại:
................................................................................................................................................
6. Điểm:……………….(Băng chữ: ..............................................................................)
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
tháng năm 20…
Giáo viên hƣớng dẫn
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
iii
do an
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc
*******
PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ v tên Sinh viên: NGUYỄN LÊ THIÊN HẰNG MSSV: 11151198
TỐNG VĂN NGỌC THANH
MSSV: 11151065
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển & T động hóa
Tên đề t i:
Nghiên cứu ứng dụng chức năng điều khiển dự phòng của PLC Allen - Bradley
Họ v tên Giáo viên phản biện: TS. NGUYỄN MINH TÂM
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề t i & khối lƣợng th
hiện:
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
2. Ƣu điểm:
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
3. Khuyêt điểm:
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
4. Đề ngh ho ảo vệ hay không?
................................................................................................................................................
5. Đánh giá loại:
................................................................................................................................................
6. Điểm:……………….(Băng chữ: ..............................................................................)
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
tháng năm 20…
iv
do an
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
LỜI CẢM ƠN
Hơn ốn năm đƣợc vinh d là sinh viên của trƣờng Đại họ Sƣ phạm Kỹ thuật
Tp.HCM, húng em đƣợc học hỏi biết ao nhiêu điều hay lẽ phải trong tình u
thƣơng ủa q Thầy Cơ, đó l khoảng thời gian đẹp nhất mà chúng em khơng bao
giờ ịn ơ hội đƣợc quay trở lại. Bây giờ là khoảng thời gian ngắn ngủi cuối cùng
m húng em đƣợc gọi là Sinh viên của trƣờng Đại họ Sƣ phạm Kỹ thuật
Tp.HCM, với tất cả tấm lịng của mình, húng em xin đƣợc thốt lên hai tiếng “CẢM
ƠN” đến tất cả các quý Thầy, quý Cô của trƣờng Đại họ Sƣ phạm Kỹ thuật
Tp.HCM – những ngƣời đã hắp ánh ho húng em đi v o tƣơng lai. Kính hú
các Thầy Cô luôn đƣợc khỏe mạnh và vui vẻ.
Cá h riêng, húng em xin đƣợc CẢM ƠN Thầy TRƢƠNG ĐÌNH NHƠN –
ngƣời Thầy đã rất nhiệt tình với chúng em từ các môn họ ơ sở ng nh đến các môn
chuyên ngành và hết sức tận tình trong việc giới thiệu v hƣớng dẫn nhóm chúng
em l m Đồ án tốt nghiệp n y. Trong quá trình l m đồ án, Thầy đã động viên, thăm
hỏi, hƣớng dẫn v góp ý để nhóm chúng em th c hiện đồ án này một cách hiệu quả
nhất. Kính chúc Thầy đƣợc nhiều sức khỏe, hạnh phúc và bình an.
Trong quá trình l m đồ án, vì trình độ cịn hạn chế nên có nhiều kiến thức mà
húng em hƣa thể lãnh hội hết và chắc chắn khơng tránh khỏi nhiều sai sót trong
đề tài, kính mong q Thầy Cơ và các bạn góp ý, hƣớng dẫn thêm để đề t i đƣợc
hoàn thiện hơn.
Nhóm sinh viên th c hiện
NGUYỄN LÊ THIÊN HẰNG
TỐNG VĂN NGỌC THANH
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
v
do an
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Các dây chuyền sản xuất công nghiệp đƣợc cấu thành nhiều phân hệ độc lập
nhƣng đƣợc liên kết với nhau thành một thể thống nhất v đƣợc kiểm sốt chặt chẽ
khơng chỉ ở những quy trình cơng nghê cụ thể mà còn ở mứ độ quản lý giám sát
một cách tối ƣu từ công tác sản xuất đến khả năng tiêu thụ. Điều đó đƣợc th c hiện
trên ơ sở kết nối tất cả các dây chuyền sản xuất lớn, nhỏ về sản xuất ũng nhƣ tiêu
thụ thông qua hệ thống mạng. Mặt khá , để hệ thống có thể hoạt động liên tục và
khơng b gián đoạn khi có s cố xảy ra, thì tính năng
phịng cho hệ thống đóng
vai trị rất quan trọng.
Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng chức năng điều khiển dự phòng của PLC
Allen-Bradley” tóm tắt khái quát về cách thiết kế, điều khiển và giám sát, ứng dụng
chứ năng
phòng bằng phần cứng và phần mềm cho toàn bộ hệ thống mà cụ thể
ở đây l sử dụng biến tần điều khiển động ơ, iến tần đƣợc kết nối với bộ điều
khiển ControlLogix qua module mạng DeviceNet, bộ điều khiển ControlLogix đƣợc
d phịng thơng qua mạng ControlNet., màn hình HMI hiển th tố độ động cơ v sử
dụng phần mềm FactoryTalk giám sát hệ thống.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
vi
do an
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
MỤC LỤC
PHẦN I: GIỚI THIỆU
Trang bìa…………………………………………………………………..………..i
Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp……………………………...…………………………ii
Nhận xét của Giáo viên hƣớng dẫn…………………………………………..…..iii
Nhận xét của Giáo viên phản biện……………………………………..…………iv
Lới cảm ơn……………………………………………………………………...…..v
Tóm tắt đồ án………………………………………………………………….…..vi
Mục lục…………………………………………………………………………….vii
Danh mục hình vẽ………………………………………………………...………..x
Danh mục bảng biểu…………………………………………………………..…xiii
Danh mục từ viết tắt………………………………………………………….….xiv
PHẦN II: NỘI DUNG ĐỒ ÁN
CHƢƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 Tổng quan……………………………………………………………………....1
1.1.1 Đặt vấn đề…………………………………………………………..…....1
1.1.2 Tình hình th c tế trong cơng nghiệp……………………………………..2
1.1.3 Lý do l a chọn đề tài………………………………………………….....3
1.1.4 Mục tiêu của đề tài………………………………………………………4
1.2 Cơ sở lý thuyết…………………………………………………………………4
1.2.1 Hệ thống điều khiển giám sát d phịng PLC Allen-Badley trong cơng
nghiệp…………………………………………………………................5
1.2.2 Giải pháp d phòng……………………………………………………....9
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
vii
do an
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ, CÔNG CỤ HỖ TRỢ ĐIỀU
KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CỦA HÃNG ALLEN-BRADLEY
2.1 Mạng ControlNet……………………………………………………………..12
2.1.1 Đặ điểm mạng ControlNet………………………………………….....12
2.1.2 Mơ hình mạng ControlNet……………………………………………...13
2.2 Bộ điều khiển ControlLogix 1756-L61………………………………..…….14
2.2.1 Tính năng ủa bộ điều khiển ControlLogix 1756-L61………………....14
2.2.2
Ứng dụng của bộ điều khiển ControlLogix 1756-L61…………….…..15
2.2.3 Tính năng về các I/O của bộ điều khiển ControlLogix 1756-L61….…..16
2.3 Lựa chọn biến tần PowerFlex 700 AC……………………………………...17
2.3.1 Tổng quan về tính năng ủa biến tần PowerFlex 700 AC……………....17
2.3.2 Các LED chỉ th trạng thái của biến tần………………………………...19
2.4 Lựa chọn màn hình HMI PanelView 600 ……………………………….….19
CHƢƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
3.1 Yêu cầu thiết kế……………………………………………………………...21
3.1.1 Thiết kế phần cứng……………………………………………………...21
3.1.2 Lập trình điều khiển……………………………………………………..21
3.2 Thiết kế phần cứng….…………………………………………………….....21
3.2.1 Kết nối thiết b ……………………………………………………...…...21
3.2.2 Hệ thống d phòng cho bộ điều khiển ControlLogix………………......26
3.2.3 L a chọn PLC……………………………………………………...…...30
3.3 Vẽ sơ đồ thiết kế phần cứng………………………………………….……....30
3.4 Thiết kế phần mềm…………………………………………………….….....32
3.4.1 Quy trình cơng nghệ…………………………………………………...32
3.4.2 Lƣu đồ giải thuật……………………………………………………….33
3.4.3 Lập trình cho PLC bằng phần mềm RSLogix 5000…………………....34
3.4.4 Lập trình cho HMI bằng phần mềm Panel Builder 32………………....41
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
viii
do an
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
3.4.5 Giám sát hệ thống d phòng cho PLC Allen - Bradley bằng phần mềm
Factory ………………………………………………………………………...48
CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THỰC TẾ HỆ THỐNG
4.1 Kết quả mơ phịng dự phịng cho PLC bằng phần cứng…………………...51
4.1.1 Điều khiển tố độ động ơ ở chế độ LOCAL…………………………..51
4.1.2 Điều khiển tố độ động ơ ở chế độ REMOTE………………………...54
4.2 Kết quả mô phỏng dự phòng cho PLC bằng phần mềm…………………..58
CHƢƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
5.1 Kết luận………………………………………………………………….……60
5.2 Hƣớng phát triển………………………………………………………....…..60
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ix
do an
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: T động hóa trong cuộc sống………………………………………….....2
Hình 1.2 : Mạng vịng EtherNet cơng nghiệp – DLR……………………………....6
Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của mạng DLR……………………………………..6
Hình 1.4: Phát hiện s cố xảy ra trong mạng DLR……………………………........7
Hình 1.5: Điều chỉnh hoạt động của mạng sau khi khắc phục s cố………..………7
Hình 1.6: Hệ thống d phịng dùng mạng DeviceNet…………………………..…..8
Hình 1.7: Module chun dụng d phịng 1756-CNB………………………..…...10
Hình 2.1: Mơ hình mạng ControlNet……………………………………………...12
Hình 2.2: Module truyền thơng ControlNet 1756-CNB và 1756-CNBR………....13
Hình 2.3: Mơ hình mạng ControlNet……………………………………………...13
Hình 2.4: Bộ điều khiển ControlLogix 1756-L61………………………………...14
Hình 2.5: Tính năng trên ộ điều khiển ControlLogix……………………………15
Hình 3.1 : Các thiết b kết nối trong mạng ControlNet…………………………....21
Hình 3.2: V trí các chân nối ây động l c………………………………………..22
Hình 3.3: V trí á
hân điều khiển……………………………………………....22
Hình 3.4: Sơ đồ kết nối chứ năng điều khiển 2 dây……………………………...23
Hình 3.5: Sơ đồ nối ây điều khiển 3 dây……………………………………..….24
Hình 3.6: Module 20-COMM-D Adapter………………………………………...25
Hình 3.7: Module d phịng của bộ điều khiển ControlLogix 1756-RM2……….27
Hình 3.8: Cấu hình phần cứng……………………………………………………28
Hình 3.9: Cáp kết nối ControlNet…………………………………………….…..28
Hình 3.10 Kết nối thiết b trên bộ điều khiển ControlLogix……………………...29
Hình 3.11: Bộ điều khiển ControlLogix 1756-L61………………………………30
Hình 3.12: Thiết lập trạm 1……………………………………………………….30
Hình 3.13: Thiết lập trạm 2……………………………………………………….31
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
x
do an
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
Hình 3.14: Kết nối hai kênh A/B của 2 module ControlNet trong mạng………….31
Hình 3.15: Tính năng
phịng trong hệ thống t động hóa cơng nghiệp………..32
Hình 3.16: Lƣu đồ giải thuật…………………………………………………..…..33
Hình 3.17: L a chọn mo ule điều khiển Primary 1756 – L61 ControlLogix 5561
Controller ó đ a chỉ Node 3, Slot 8……………………………………………….34
Hình 3.18: L a chọn module mạng 1756 – CNBR/E ControlNet Bridge, Redundant
Media với đ a chỉ Node 3, slot 7…………………………………………………...34
Hình 3.19: L a chọn mo ule điều khiển Peer 1756 – L61 ControlLogix 5561
Controller ó đ a chỉ Node 4, Slot 0………………………………………………..35
Hình 3.20: L a chọn module mạng 1756 – CNBR/E ControlNet Bridge, Redundant
Media với đ a chỉ Node 4, slot 7…………………………………………………...35
Hình 3.21: Cấu hình các module trong Secondary Project………………………..36
Hình 3.22: Tạo kiểu dữ liệu CONTROL_DEVICE…………………………….....36
Hình 3.23: Tạo kiểu dữ liệu MODULE…………………………………………....37
Hình 3.24 Tạo các biến trong Controller Tags………………………………….....37
Hình 3.25: Trong Controller Fault Han ler → tạo một FAULT_PROGRAM →
Khai báo các biến trong Program Tags nhƣ trên…………………………………...37
Hình 3.26: Trong Main Task → tạo một SWITCH_OVER program → sau đó tạo
các biến nhƣ trên trong Program Tags……………………………………………..37
Hình 3.27: Dịng lệnh ùng để cấm ngõ ra………………………………………..38
HÌnh 3.28: Dịng lệnh ùng để kiểm tra trạng thái kết nối module ngõ ra……….39
Hình 3.29: Dịng lệnh ùng để bỏ cấm ngõ ra…………………………………….40
HÌnh 3.30: Thiết lập chế độ hai kênh A/B của 2 module ControlNet…………….40
Hình 3.31: Màn hình chính……………………………………………………......46
Hình 3.32: Màn hình khóa…………………………………………………….......46
Hình 3.33: M n hình điều khiển………………………………………………......47
Hình 3.34: M n hình áo động có lỗi………………………………………...…...47
Hình 3.35: Đọc Tags trong PLC qua RSLinx Enterprise……………………........48
Hình 3.36: Một liên kết đƣợc tạo ra giữa Factory Talk và PLC………………......49
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
xi
do an
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
Hình 3.37: Tạo folder chứ dữ liệu đọ đƣợc từ PLC………………………….......49
Hình 3.38: Giao diện chính của hệ thống…………………………………….…....49
Hình 3.39: Giao diện điều khiển tố độ động ơ………………………………….50
Hình 3.40: Giao diện giám sát hệ thống……………………………………….......50
Hình 3.41: Sử dụng module DeviceNet trong bộ ControlLogix 1756 –L61……....51
Hình 3.42: M n hình HMI điều khiển tố độ động ơ ở chế độ Local……………52
Hình 3.43: Màn hình giám sát Factory Talk ở chế độ Local……………………....52
Hình 3.44: Màn hình LCD trên biến tần PowerFlex ở chế độ OFF……………….53
Hình 3.45: Màn hình hiển th tố độ nhập và tố độ phản hồi của biến tần
PowerFlex 700……………………………………………………………………..53
Hình 3.46: Màn hình giám sát Factory Talk hiển th tố độ phản hồi của biến tần
PowerFlex 700 ở chế độ Local…………………………………………………….54
Hình 3.47: Màn hình LCD hiển th tố độ………………………………………...54
Hình 3.48: Màn hình giám sát Factory Talk ở chế độ Remote…………………....55
Hình 3.49: Màn hình giám sát Factory Talk hiển th tố độ phản hồi của biến tần
PowerFlex 700 ở chế độ Remote………………………………………………….55
Hình 3.50: Màn hình HMI hiển th tố
độ động cơ v
hồi tiếp ở chế độ
Remote.....................................................................................................................56
Hình 3.51: Module d phịng 1756 – CNBR trong trạng thái hoạt động bình
thƣờng……………………………………………………………………………..56
Hình 3.52: Giả sử s cố xảy ra trên đƣờng truyền trong mạng ControlNet……....57
Hình 3.53: Báo lỗi trên đƣờng truyền 1 kênh……………………………………..57
Hình 3.54: Biến tần hoạt động ình thƣờng dù s cố xảy ra……………………...58
Hình 3.55: Hệ thống báo lỗi tại v trí cấu hình của Local CPU và Peer CPU…....58
Hình 3.56: Trợ giúp khi xảy ra lỗi hệ thống……………………………………...59
Hình 3.57: Giải thích lỗi từ hệ thống……………………………………………..59
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
xii
do an
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Bảng so sánh giữa giải pháp d phòng bằng phần cứng và d phòng bằng
phần mềm……………………………………………………………………….….11
Bảng 2.1: Mơ tả tính năng ủa các phím nhấn trên biến tần PowerFlex 700……...17
Bảng 2.2: Các LED chỉ th trạng thái biến tần PowerFlex 700……………………19
Bảng 2.3: Bảng thông số màn hình PanelView 600……………………………….20
Bảng 3.1: Bảng thiết lập các thơng số……………………………………………..25
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
xiii
do an
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
PLC
: Programmable Logic Control
DLR
: Device Level Ring
CPU
: Centrer Processing Units
HMI
: Human Machine Interface
PV
: PanelView
Primary CPU( Local CPU): Bộ vi xử lý chính
Secondary CPU (Peer CPU): Bộ vi xử lý d phòng
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
xiv
do an
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
PHẦN II
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
xv
do an
Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
iii
do an
Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh
CHƢƠNG 1:
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 TỔNG QUAN
1.1.1 Đặt vấn đề
Với sự phát triển của xã hội ngày nay, các hệ thống tự động hóa trong cơng
nghiệp ngày càng xâm nhập vào đời sống của con người. Vì vậy, để đáp ứng nhu
cầu điều khiển ngày càng cao về chất lượng, ổn định hệ thống là rất quan trọng. Hệ
thống giám sát, điều khiển đa cấp được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí
nghiệp trên tồn thế giới. Kiểm sốt, giám sát và điều khiển được cải tiến, cung cấp
các tính năng cơ bản nhằm nâng cao hiệu quả và năng suất sản xuất. Tuy nhiên,
không phải thiết kế hệ thống nào cũng hồn hảo vì thường bỏ qua đăc điểm kỹ thuật
là dự phịng (hay cịn gọi là redundancy).
Những gì sẽ xảy ra khi hệ thống bị hư hỏng. Hầu hết các máy tính, các bộ điều
khiển được thiết kế một cách đáng tin cậy nhưng hư hỏng vẫn xảy ra, đặc biệt là khi
chúng được sử dụng trong một môi trường khắc nghiệt. Nếu một hoặc tất cả các
phần tử quan trọng trong hệ thống không hoạt động, thời gian chờ sửa chữa dài sẽ
dẫn đến nhiều tổn thất về chi phí, chất lượng cơng việc… Tính năng Redundancy
phải được tích hợp vào hệ thống để loại trừ sự cố hư hỏng đó.
Trong các hệ thống điều khiển đa cấp với các tính năng nổi bật được áp dụng
trong các nhà máy, xí nghiệp trên các dây chun cơng nghệ hiện đại và linh hoạt
đem lại hiệu quả kinh tế cao. Ví dụ trong các nhà máy lọc dầu, trong các hệ thống
đường dẫn nếu có sự cố xảy ra sẽ gây thiệt hại rất nhiều về tài sản, mức độ đáp ứng
cho thị trường bị ảnh hưởng nghiêm trọng, gây thiệt hại cho nền kinh tế. Trong các
ngành chế biến và bảo quản thủy sản, nếu chất lượng và vệ sinh an toàn thực phẩm
được đặt lên hàng đầu thì các hệ thống cấp đơng và giữ lạnh phải được duy trì hoạt
động ổn định. Trong các ngành thủy điện cung cấp điện năng cho sử dụng dân dụng
và công nghiệp. Trong các đường hầm giao thông nhân tạo, các hệ thống thơng
gió… phải được tự động giám sát và kiểm tra nghiêm ngặt, các thiết bị điều khiển
phải được thiết kế với chất lượng cao đồng thời phải được tích hợp phương án dự
phịng để đảm bảo hệ thống ln hoạt động ổn định, nếu có sự cố xảy ra không
những gây thiệt hại rất lớn về tài sản thậm chí cịn cả tính mạng con người.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1
do an
Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh
Vì vậy, nghiên cứu các công nghệ ứng dụng trong hệ thống điều khiển tự động,
đặc biệt là nghiên cứu xây dựng kỹ thuật dự phòng (redundancy) cho hệ thống điều
khiển tự động là rất cần thiết nhằm đem lại hệ thống điều khiển hoàn chỉnh, hoạt
động ổn định, giảm thiểu thời gian sửa chữa các thiết bị hư hỏng và đảm bảo được
độ liên tục nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế.
1.1.2
Tình hình thực tế trong cơng nghiệp
Tự động hóa được áp dụng vào tất cả các lĩnh vực hoạt động của con người
Hình 1.1: Sự phát triển của tự động hóa trong cơng nghiệp
Các phương tiện giao thơng:
- Ơ tô: điều khiển các thiết bị riêng biệt (cửa, chỗ ngồi, radio,…), điều khiển
động cơ (exhaust regulations).
- Phương tiện đường sắt: có hơn 20 máy tính được nối với nhau trong một đầu
máy để điều khiển các bộ phận như lực kéo, chuẩn đốn, tín hiệu, hiển thị,
năng lượng…
- Máy bay: có đặc điểm là yêu cầu cao về độ tin cậy, áp dụng điện tử điều
khiển chuyến bay (safe flight envelope, autopilot,…), quản lý chuyến bay,
ghi chép và sao lưu dữ liệu bay, chuẩn đoán, dự báo….
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2
do an
Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh
Các cánh tay robot: được ứng dụng nhiều trong công nghiệp chế tạo lắp ráp.
Giới hạn duỗi thẳng 2-3m (các robot vận chuyển 10-20m), có đặc điểm là
thường xun lập trình lại cho nhiệm vụ mới, trang bị máy tính nhúng đơn
giản, phân cấp điều khiển.
Trạm biến áp: tự động hóa cao trong bảo vệ (đường dây, các máy biến áp,
máy phát..), điều khiển đáp ứng tốc độ cao để đảm bảo độ an tồn, các vị trí
đo lường, dịng điện trong lưới, tính tốn năng lượng sử dụng…
Ngành cơng nghiệp dược phẩm: tự động hóa trong nhiều khâu kiểm kê, quản
lý cơng thức, đóng gói, thử mẫu, giám sát và theo dõi đảm bảo sản xuất tuân
theo các quy định của chính phủ…
Tự động hóa linh hoạt: sử dụng nhiều băng chuyền, robot, các máy gia công
CNC, các trạm sơn, hậu cần….
Các kho hàng: đặc thù của những nơi này phụ thuộc vào những tính năng có
sẵn của điều khiển hệ thống, có yêu cầu điều khiển kết nối tới quản lý dây
chuyền cung cấp, thi hành theo thứ tự, quản lý khách hàng và tính toán
thương mại…
Hệ thống máy in: điều khiển động cơ (đồng bộ các trục cán), điều khiển mực
in và nước, điều khiển bản giấy in (các trục quấn giấy, độ căng bản giấy, dao
cắt,…), giao diện vận hành (các hệ lệnh, đèn báo…)
Cơng nghiệp hóa chất: hệ thống tự động hóa có nhiệm vụ điều khiển tại chỗ
các lị phản ứng.
Trong các nhà máy sản xuất năng lượng: thủy điện, nhiệt điện, gió, quang
điện
1.1.3 Lý do lựa chọn đề tài
Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện – điện tử kỹ thuật số các hệ
thống điều khiển dần dần được tự động hóa. Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử
lý, PLC, vi số mạch… được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều
khiển cơ khí thơ sơ với tốc dộ xử lý chậm, ít chính xác được thay thế bằng các hệ
thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước.
Trong quá trình hoạt động ở các nhà xưởng, xí nghiệp như hiện nay, hầu hết đêu
đã đưa tự động hóa vào hoạt động sản xuất nhằm mang lại sự chính xác cho việc
quản lý và thu thập dữ liệu từ các dây chuyền và sản phẩm của toàn bộ hệ thống
một cách hợp lý nhất nhằm mang lại hiệu quả kinh tế, tiết kiệm thời gian và chi phí
hoạt động. Bên canh đó, việc hệ thống được hoạt động liên tục là điều tất yếu cần
quan tâm, các sự cố về điện và cơ có thể xảy ra trong bất kì thời điểm nào mà ta
khơng thể kiểm sốt được.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
3
do an
Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh
Để đáp ứng yêu cầu cho một hệ thống tự động hóa hoạt động liên tục kể cả khi
có sự cố xảy ra, nhóm em đã tiến hành nghiên cứu tìm hiểu các giải pháp tối ưu để
dự phòng cho các trường hợp trên nhằm mang lại hiệu quả hoạt động cho một hệ
thống tự động hóa cơng nghiệp.
Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng chức năng điều khiển dự phòng của PLC
Allen-Bradley” được nhóm em lựa chọn để giải quyết các vấn đề được nêu trên.
1.1.4 Mục tiêu của đề tài
Dự phòng cho hệ thống là một chức năng quan trọng trong các hệ thống điều
khiển cơng nghiệp. Chức năng dự phịng đảm bảo cho hệ thống hoạt động được liên
tục, giảm thiểu thời gian ngừng máy, nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.
Tùy theo tầm quan trọng của hệ thống, khả năng tài chính mà hệ thống được thiết kế
ở nhưng cấp khác nhau.
Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng chức năng điều khiển dự phịng cho PLC
Allen-Bradley” tìm hiểu các giải pháp điều khiển dự phòng cho PLC về phần cứng
và phần mềm. Thử nghiệm thực tế trên hệ thống bao gồm 1 động cơ AC được kết
nối với biến tần, biến tần được kết nối với bộ điều khiển ControlLogix qua module
mạng DeviceNet, bộ điều khiển ControlLogix được dự phịng thơng qua mạng
ControlNet.
1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại và cơng nghệ điều khiển
logic khả trình dựa trên cơ sở phát triển của tin học mà cụ thể là sự phát triển của kỹ
thuật máy tính.
Thiết bị điều khiển logic lập trình được PLC là dạng thiết bị điều khiển đặc biệt
dựa trên bộ xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ các lệnh và thực hiện
các chức năng, chẳng hạn cho phép tính logic, lập chuỗi và các thuật tốn để điều
khiển máy móc và quy trình cơng nghệ. PLC làm cơng cụ hỗ trợ cho các kỹ sư,
không yêu cầu cao về kiến thức máy tính và ngơn ngữ máy tính, có thể cài đặt vận
hành hoặc thay đổi chương trình. Vì vậy, các thiết kế PLC phải lập trình sẵn sao cho
chương trình điều khiển có thể nhập bằng cách sử dụng ngơn ngữ lập trình. Thiết bị
điều khiển PLC sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo chương trình này
và thực hiện các quy tắc điều khiển đã được lập trình.
Các PLC tương tự máy tính, nhưng máy tính được tối ưu hóa cho các tác vụ tính
tốn và hiển thị, cịn PLC được chun biệt cho các tác vụ điều khiển và môi trường
công nghiệp. vì vậy, các PLC
- Được thiết kế bền để chịu được rung động, nhiệt độ, độ ẩm và tiếng ồn.
- Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào/ra.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
4
do an
Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh
- Được lập trình dễ dàng với ngơn ngữ điều khiển dễ hiểu, chủ yếu giải quyết
các phép toán logic và chuyển mạch.
Về cơ bản, chức năng của bộ điều khiển PLC cũng giống như chức năng của bộ
điều khiển thiết kế trên cơ sở các role công tắc tơ hoặc trên cơ sở các khối điện tử
đó là:
- Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến.
- Liên kết, ghép nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiện đóng mở
các mạch phù hợp với cơng nghệ.
- Tính tốn và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông tin
thu thập được.
- Truyền các lệnh điều khiển đến các địa chỉ được cài đặt
1.2.1 Hệ thống điều khiển giám sát dự phịng PLC Allen-Badley trong cơng
nghiệp
1.2.1.1 Đặc tính dự phịng điển hình của PLC Allen-Bradley
Hệ thống ControlLogix Redundancy của Allen-Bradley với những đặc tính
như:
- Tối ưu hóa tính sẵn sàng điều khiển
- Tuyệt đối khơng cần đến chương trình người dùng để thực thi.
- Ngắt chuyển mạch khơng rung, được đảm bảo cho bất kì ngõ ra điều khiển
nào.
- Ngắt chuyển mạch trong suốt bất kì thiết bị nào được kết nối tới khung điều
khiển dự phòng.
- Cấu hình làm việc trực tiếp các lệnh, những hiệu chỉnh từ bộ điều khiển sơ
cấp đến bộ điều khiển thứ cấp.
- Tất cả các địa chỉ I/O đều được điều khiển từ xa bởi khung điều khiển.
1.2.1.2 Mạng vòng Ethernet công nghiệp – DLR (Device Level Ring)
Giao thức DLR là một giao thức hai lớp, cung caaos khả năng dự phòng sự cố
mạng ở cấp độ thiết bị điều khiển như PLC, PAC, HMI, biến tần,… Khác với kiến
trúc mạng vòng của Switch hoặc Router, DLR cung cấp khả năng hội tụ mạng rất
nhanh (dưới 3ms) để đáp ứng yêu cầu về mặt ứng dụng điều khiển. Một vòng như
vậy có thể có tối đa 50 nút mạng. Mạng DLR là mạng “Single-Fault Tolerant” nghĩa
là khi mạng bị sự cố (như đứt dây) tại bất kì một điểm nào trên đường truyền mạng
thì mạng vẫn được duy trì khả năng làm việc bình thường.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
5
do an
Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh
Hình 1.2: Mạng vịng EtherNet cơng nghiệp - DLR
Ngun lý hoạt động của mạng DLR
Trong mỗi mạng DLR có một thiết bị được chọn để giám sát, trong điều kiện
bình thường, thiết bị giám sát (hay còn gọi là Supervisory) sẽ khóa một Port chỉ cho
gói tín hiệu đi theo một chiều (Fowarding) để tranh trường hợp các gói tín hiệu bị
lặp vịng (Loop). Các gói tín hiệu được gửi đi liên tục trong mạng để dị tìm sự cố
mạng.
Hình 1.3: Nguyên lý hoạt động của mạng DLR
Khi mạng bị sự cố, Supervisory lập tức mở khóa Port cịn lại để các gói tin được
truyền đi theo cả hai chiều đến các thiết bị trong mạng (lúc này mạng bị đứt ở một
điểm nên sẽ khơng xảy ra việc lặp vịng). Lúc này, mạng sẽ trở thành mạng thẳng,
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
6
do an
Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh
hoạt động bình thường và vị trí bị sự cố sẽ được xác định trong các gói tin được
chuẩn đốn và gửi về Supervisory. Trên chương trình có thể phát hiện ngay điểm bị
sự cố ở đâu và kỹ sư sẽ khắc phục sự cố một cách nhanh chóng.
Hình 1.4: Phát hiện sự cố xảy ra trong mạng DLR
Sau khi khôi phục xong sự cố, mạng trở lại bình thường thì Supervisory sẽ khóa
một Port trở lại (giống trường hợp trên).
Hình 1.5: Điều chỉnh hoạt động của mạng sau khi khắc phục sự cố
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
7
do an
