Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO2 lỏng siêu tới hạn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
Chương III
GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC
3.1 KHÁI QUÁT VỀ PLC
PLC ( viết tắt của từ tiếng Anh : Programmable Logic Controller)
được gọi là bộ điều khiển Logic khả trình. Nó được hình thành vào năm
1968 từ một nhóm kỹ sư hãng General Motors với ý tưởng ban đầu là thiết
kế một bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu sau: lập trình dễ dàng, ngôn ngữ
dễ hiểu, dễ dàng sửa chữa thay thế, ổn định trong môi trường công nghiệp,
giá cả cạnh tranh. PLC là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật
toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc thể hiện
thuật toán đó bằng mạch số. Như vậy với chương trình điều khiển trong
mình PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc
biệt là dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh.Toàn bộ chương
trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối
chương trình và được thực hiện theo chu kỳ vòng quét.
Để có thể thực hiện một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải
có tính năng như 1 máy tính, nghĩa là phải có 1 bộ vi xử lý, một hệ điều
hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhieenphair có
các cổng vào ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông
tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó nhằm phục vụ bài toán điều
khiển số, PLC còn phải có thêm các khối chức năng đặc biệt như Counter,
Timer, và các khối hàm chuyên dụng khác. PLC đáp ứng hầu hết các yêu
cầu và như là yếu tố chính trong việc nâng cao hơn nữa hiệu quả sản xuất
trong công nghiệp. Trước đây việc tự động hóa chỉ được áp dụng trong hoạt
động sản xuất hàng loạt năng suất cao, nhưng hiện nay cần thiết phải tự
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân

56
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
động hóa trong nhiều ngành sản xuất khác nhau và trong cả nhiều hoạt động
sản xuất khác nhau, để nâng cao năng suất và chất lượng
Hình 26 Nguyên lý chung về cấu trúc của PLC
Hình 27 Hệ thống điều khiển dung PLC
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
57
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
3.2 ƯU ĐIỂM CỦA PLC TRONG TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH
CÔNG NGHỆ.
Hiện nay, các hệ thống điều khiển bằng PLC đang dần thay thế các hệ thống
điều khiển bằng rơle và contactor thông thường, bởi nó có những ưu điểm
vượt trội sau:
- Linh kiện lắp ráp hệ thống là rất ít, dây dẫn kết nối giảm rất nhiều so
với hệ thống điều khiển cổ điển nên hệ thống nhỏ gọn.
- Công suất tiêu thụ nhỏ
- Sự thay đổi cấu trúc hệ thống điều khiển rất dễ dàng đây chính là ưu
điểm lớn nhất của PLC. Nhiệm vụ điều khiển có thể được thay thế rất dễ
dàng bằng cách thay đổi chương trình điều khiển nạp vào bộ nhớ của PLC
thông qua phần mềm viết trên máy tính hay máy lập trình.
- Tốc độ hoạt động của hệ thống nhanh. Nhờ công nghệ tích hợp bán
dẫn và vi xử lý nên tốc độ hoạt động của PLC trong hệ thống điều khiển tự

động được nâng lên rất nhiều so với hệ điều khiển cổ điển bằng dây dẫn.
- Độ bền và độ tin cậy vận hành cao
- Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng. Nếu ở hệ thống
rơle hay contactor khi số tiếp điểm tăng thì kéo theo rất nhiều dây dẫn và
chi phí lắp ráp tăng, khó khăn trong công tác bảo trì, độ chính xác kém. Còn
hệ thống lắp bằng PLC thì hoàn toàn có lợi về mọi mặt trên.
- Dễ lập trình, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu và có thể lập trình trên máy
tính hay máy lập trình PG thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của
nó.
- Có các module rời cho phép thay thế hoặc thêm vào khi cần thiết một
cách rất dễ dàng và linh hoạt.
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
58
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
3.3 CÁC THÀNH PHẦN CỦA PLC
- Module CPU
Module CPU là module chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các
bộ định thì, bộ đếm, cổng truyền thông (RS 485) … và có thể còn có một
vài cổng vào/ra số. Các cổng vào/ra số có trên module CPU được gọi là
cổng vào/ra onboard như CPU 314IFM.Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại
module CPU khác nhau. Nói chung chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý có
trong nó như module CPU312, module CPU314, module CPU315….
Những module cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về
cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn
trong thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra
onboard này sẽ phân biệt với nhau trong tên gọi bằng cách thêm cụm chữ

cái IFM (Intergrated Function Module). Ví dụ module CPU313IFM,
module CPU314IFM…
Ngoài ra, còn có các loại module CPU với hai cổng truyền thông, trong đó
cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng
phân tán như mạng PROFIBUS (PROcess FIeld BUS). Tất nhiên kèm theo
cổng truyền thông thứ hai này là những phần mềm tiện dụng thích hợp cũng
đã được cài sẵn trong hệ điều hành. Các loại module CPU này được phân
biệt với các loại module CPU khác bằng cách thêm cụm từ DP (Distributed
Port). Ví dụ như module CPU315-2DP.Tham khảo hình dưới:
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
59
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
Hinh 28 Cổng giao tiếp của các PLC
- Các loại module mở rộng :
+ PS (Power Supply): Module nguồn nuôi, có 3 loại 2A, 5A và 10A.
+ SM (Signal Module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, gồm có:
• DI (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào số với số lượng
cổng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy theo từng loại module. Gồm 24VDC và
120/230V AC.
• DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng ra số với số lượng
cổng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy theo từng loại module. Gồm 24VDC và
ngắt điện từ.
• DI/DO (Digital Input/Digital Out): Module mở rộng các cổng
vào/ra số với số lượng cổng có thể là 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tùy theo
từng loại module.
• AI (Anolog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản

chất chúng là những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bits (AD), tức là mỗi tín
hiệu tương tự được chuyển đổi thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12
bits. Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tùy theo loại module.
Tín hiệu vào có thể là áp, dòng, điện trở.
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
60
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
• AO (Anolog Output): Module mở rộng các cổng ra tương tự. Chúng
là những bộ chuyển đổi số tương tự 12 bits (DA). Số các cổng ra tương tự
có thể là 2, 4 hoặc 8 tùy theo loại module. Tín hiệu ra có thể là áp hoặc
dòng.
• AI/AO (Analog Input/Analog Output): Module mở rộng các cổng
vào/ra tương tự. Số các cổng tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/4 ra
tùy theo từng loại module.
+ IM (Interface Module): Module ghép nối. Đây là loại module chuyên
dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành
một khối và được quản lý chung bởi một module CPU. Thông thường các
module mở rộng được gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack. Trên
mỗi thanh rack chỉ có thể gá tối đa 8 module mở rộng (không kể module
CPU, nguồn nuôi). Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với
nhiều nhất 4 racks và các racks này phải được nối với nhau bằng module
IM
Hình 29 Thanh rack
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
61

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
Hình 30 Sơ đồ phân bố các racks
+ FM (Function Module): Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ
như module điều khiển động cơ servo, module điều khiển động cơ bước,
module PID, module điều khiển vòng kín, Module đếm, định vị, điều khiển
hồi tiếp …
+ CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thông trong
mạng (MPI, PROFIBUS, Industrial Ethernet) giữa các PLC với nhau hoặc
giữa PLC với máy tính.Hình sau là cấu hình đầy đủ của một thanh Rack và
sơ đồ kết nối nhiều Rack:
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
62
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
Hình 31 Cấu hình 1 thanh rack của PLC S7-300
Hình 32 Cấu hình tổng quát của một PLC S7-300 với 4 thanh rack nối với
nhau nhờ moduleIM và cáp nối 368
- Phụ kiện: Bus nối dữ liệu (Bus connector).
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
63
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2

lỏng siêu tới hạn
Các module của PLC S7-300
3.4 CẤU TRÚC BỘ NHỚ CỦA PLC
Bộ nhớ của S7-300 được chia thành 3 vùng chính
• Vùng chứa chương trình ứng dụng.
Vùng nhớ chương trình được chia thành 3 miền OB (Organisation
Block): Miền chứa chương trình tổ chức. FC ( Function): Miền chứa
chương trình con được tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ
liệu với chương trình đã gọi nó. FB (Function Block): Miền chứa chương
trình con, được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất
cứ một khối chương trình nào khác. Các dữ liệu này phải được xây dựng
thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB-Data Block).
• Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng : được
phân chia thành 7 miền khác nhau gồm
- I (Process image Input): Miền bộ điệm các dữ liệu cổng vào số.
Trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả
các cổng đầu vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I. Thông thường chương
trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ
lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I.
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
64
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
- Q (Process image output): Miền bộ điệm các dữ liệu cổng ra số. Kết
thúc giai đọan thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ
đệm Q tới các cổng ra số.
Thông thường chương trình ứng dụng không trực tiếp gán giá trị tới cổng ra

mà chỉ chuyển vào bộ đệm Q.
- M: Miền các biến cờ. Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này
để lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit (M), Byte
(MB), từ (MW), hay từ kép (MD).
- T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu trữ giá
trị thời gian đặt trước (PV- preset value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV-
Current value) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ timer.
- C: Miền nhớ phục vụ đếm (counter) bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt
trước (PVpreset value), giá trị đếm tức thời (CV-Current value) cũng như
giá trị logic đầu ra của bộ counter.
- PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O external
input). Các giá trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được
module đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ. Chương trình ứng dụng
có thể truy cập miền nhớ PI theo từng byte (PIB), từng từ (PIW) hoặc theo
từ kép (PID).
- PQ: Miền địa chỉ cổng ra của các module tương tự (I/O external
0utput). Các giá trị theo những địa chỉ này sẽ được module đọc và chuyển
tới các cổng ra tương tự. Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ
PQ theo từng byte (PQB), từng từ (PQW) hoặc theo từ kép (PQD).
• Vùng chứa các khối dữ liệu : được chia làm 2 loại
- DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối.
Kích thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
65
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
với từng bài toán điều khiển. Chương trình có thể truy cập miền này theo

từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW) hoặc từ kép (DBD).
- L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối
chương trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và
trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó.
Nội dung của một số dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc
chương trình tương ứng OB, FC, FB. Miền này có thể truy nhập từ chương
trình theo bit (L), byte (LB), từ (LW) hoặc từ kép (LD).
CHƯƠNG 5:
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
5.1. GRAFCET:
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
66
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
67
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
5.2.BẢNG SYMBOL:
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
68
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO

2
lỏng siêu tới hạn
5.3.CHƯƠNG TRÌNH:
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
69
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
70
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
71
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
72
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2

lỏng siêu tới hạn
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
73
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
74
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
75
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
76
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh

Nghiêm Minh Tuân
77
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
78
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
79
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế hệ thống trích ly thí nghiệm sử dụng CO
2
lỏng siêu tới hạn
GVHD: ThS An Hoài Thu Anh SVTH: Cù Tuấn Anh
Nghiêm Minh Tuân
80