1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
VŨ TRUNG THƯỚNG
ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG XI LANH KHÍ NÉN TRONG PHÒNG
THÍ NGHIỆM BẰNG PLC S7-300 CỦA HÃNG SIEMENS
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Thái Nguyên, 2014
2
Công trình được hoàn thành tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP–ĐẠI HỌC THÁI
NGUYÊN
Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. Phan Xuân Minh
Phản biện 1: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Như Hiển
Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn
Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
Vào hồi 14 giờ 15’, ngày 17 tháng 8 năm 2014
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
-Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp
3
MỞ ĐẦU
1. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn:
Cùng sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa, ngày
nay các thiết bị truyền dẫn, điều khiển khí nén sử dụng trong trong
phòng thí nghiệm, máy móc trở nên rộng rãi ở hầu hết các lĩnh vực
công nghiệp như máy công cụ CNC, phương tiện vận chuyển, máy
dập, máy xây dựng, máy ép phun, tàu thủy, máy y khoa, dây chuyền
chế biến thực phẩm,… do những thiết bị này làm việc linh hoạt, điều
khiển tối ưu, đảm bảo chính xác, công suất lớn với kích thước nhỏ
gọn và lắp đặt dễ dàng ở những không gian chật hẹp so với các thiết
bị truyền động và điều khiển bằng cơ khí hay điện. Để giúp cho
công tác đào tạo tại Trường Đại học Công nghiệp Việt-Hung trong
lĩnh vực tự động hóa, tiếp cận nhanh chóng với các thiết bị của hệ
thống điều khiển khí nén trong việc khai thác các thiết bị phục vụ
cho công tác giảng dạy của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên và các trường ĐH, CĐ trên địa bàn Hà Nội học viên
chọn đề tài: “Điều kiển hệ thống xi lanh khí nén trong phòng thí
nghiệm bằng PLC S7-300 của hãng Siemens”. Với đề tài này học
viên có cơ hội tìm hiểu về thiết bị PLC của hãng Siemens, thực hành
thiết kế và lập trình hệ thống điều khiển tự động cho đối tượng công
nghiệp (cụ thể là đối tượng hệ thống khí nén) bằng các thiết bị và
công cụ phần mềm của trường Cao đẳng Nghề Cơ Điện Hà Nội.
2. Mục đích nghiên cứu
Trang bị cho học viên các kiến thức và phương pháp mô hình
hóa đối tượng bằng thực nghiệm. Sử dụng thành thạo công cụ nhận
4
dạng hệ thống của phần mềm Matlab để mô hình hóa đối tượng điều
khiển tuyến tính với độ chính xác tương đối cao.
Khai thác sử dụng các module điều khiển quá trình của STEP7
và nâng kỹ năng lập trình hệ thống điều khiển.
Về lý thuyết trang bị cho học viên các phương pháp thiết kế bộ
điều khiển PID, khả năng phân tích và lựa chọn phương pháp thiết kế
phù hợp cho đối tượng điều khiển.
Đề tài này giúp cho học viên ngành điện phần nào hiểu được
cách thức hoạt động của các thiết bị khí nén đồng thời ứng dụng PLC
vào điều khiển chúng. Đề tài được trình bày theo dạng các bài thí
nghiệm, học viên sau khi nắm vững lý thuyết, sẽ thực hành theo các
dạng bài tập thí nghiệm. Các bài thí nghiệm được viết theo trình tự từ
dễ đến khó, từ đơn giản đến phức tạp nằm giúp học viên dễ dàng
nắm bắt bài học hơn. Đề tài này được thực hiện trên bộ thí nghiệm
khí nén của hãng SIMEN đề tài giới thiệu cho sinh viên các thiết bị
và các thức hoạt động của các thiết bị, tự động điều khiển các thiết bị
bằng PLC, giúp học viên có kiến thức căn bản nhất về khí nén và đây
là một đề tài mới mẻ đối với học. Trong quá trình nghiên cứu xây
dựng bài thực tập do kiến thức còn hạn chế chắc chắn không tránh
khỏi những sai sót, kính mong quí Thầy, Cô cùng các bạn học viên
đóng góp ý kiến để xây dựng đề tài tốt hơn.
3. Nội dung trình bày luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm 3 chương:
Chương 1: Mô tả thiết bị quá trình của bàn thí nghiệm
Chương 2: Thiết kế hệ thống mạng PROFIBUS với STEP7
Chương 3: Viết chương trình điều khiển, khảo sát thực nghiệm
Viết phần mềm điều khiển tương ứng cho các modul này.
Kết nối hệ thống hoàn chỉnh và chạy thử nghiệm.
5
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ:
Đưa ra các nhận xét, đánh giá về hệ thống, những điểm đạt
được và những hạn chế, điểm chưa đạt được của đề tài. Nêu kiến
nghị bản thân và các đề xuất hoàn thiện hệ thống cũng như hướng
phát triển của đề tài.
6
Chương 1: MÔ TẢ THIẾT BỊ QUÁ TRÌNH CỦA BÀN THÍ
NGHIỆM
1.1. Các thiết bị cảm biến của quá trình
1.1.1. Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor)
1.1.1.1. Đặc điểm:
Phát hiện vật không cần tiếp xúc.
Tốc độ đáp ứng nhanh.
Đầu sensor nhỏ, có thể lắp ở nhiều nơi.
Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.
1.1.1.2. Một số định nghĩa
Khoảng cách
phát hiện: Khoảng
cách xa nhất từ đầu
cảm biến đến vị trí
vật chuẩn mà cảm
biến có thể phát hiện
được.
Hình 1.1
7
1.1.2. Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity
Sensor)
Hình 1.4. Vài loại cảm biến tiệm cận điện cảm của Siemens
Cảm biến tiệm cận điện cảm có nhiều kích thước và hình
dạng khác nhau tương ứng với các ứng dụng khác nhau. Cảm biến
tiệm cận điện cảm được dùng để phát hiện các đối tượng là kim loại
(loại cảm biến này không thể phát hiện các đối tượng có cấu tạo
không phải là kim loại).
1.2. Các thiết bị chấp hành của quá trình
1.2.1. Van khí
8
Hình 1.25 Van lọc khí nén
1.2.1.2. Van điều chỉnh áp suất:
Nhiệm vụ của van áp suất là ổn định áp suất điều chỉnh, mặc dù
có sự thay đổi bất thường của áp suất làm việc ở đường ra hoặc sự
dao động của áp suất ở đầu vào. Áp suất ở đầu vào luôn luôn là lớn
hơn áp suất ở đầu ra (hình 1.26).
Hình 1.26. Cấu tạo van điều chỉnh áp suất
1.2.1.3. Van tra dầu:
Được sử dụng đảm bảo cung cấp bôi trơn cho các thiết bị
trong hệ thống điều khiền khí nén nhằm giảm ma sát, sự ăn mòn và
sự gỉ (hình 1.27).
9
Hình 1.27 Cấu tạo van tra dầu
1.2.1.4. Phần tử điều chỉnh
Trong hệ thống điều khiển khí nén, ngoài cơ cấu biến đổi năng
lượng, phần tử đưa tín hiệu và xử lý tín hiệu ra, còn có nhiều cơ cấu điều
khiển và điều chỉnh làm các nhiệm vụ khác nhau. Tùy thuộc vào nhiệm
vụ của hệ thống mà các cơ cấu này chia ra làm 3 loại chủ yếu:
1.2.1.5. Cơ cấu chỉnh áp
Cơ cấu chỉnh áp dùng để điều chỉnh áp suất, có thể cố định hoặc
tăng hoặc giảm trị số áp suất trong hệ thống truyền động khí nén - thủy
lực. Cơ cấu chỉnh áp có các loại phần tử sau:
Hình 1.28. Van an toàn
1.2.1.6. Cơ cấu chỉnh lưu lượng.
Cơ cấu chỉnh lưu lượng để xác định lượng lưu chất chảy qua
nó trong một đơn vị thời gian và như vậy sẽ làm thay đổi vận tốc
dịch chuyển của cơ cấu chấp hành trong hệ thống lưu chất làm việc
với bơm tạo năng lượng với lưu lượng cố định.
10
Hình 1.32. Mô tả van tiết lưu được lắp ở đường ra của xy lanh dầu.
1.2.1.7. Cơ cấu chỉnh hướng.
Cơ cấu điều khiển là loại cơ cấu điều khiển dùng để đóng,
mở, nối liền hoặc ngăn cách các bộ phận của hệ thống khí nén. Cơ
cấu chỉnh hướng thường dùng các loại sau đây:
Van một chiều
Hình 1.37. Van một chiều
1.3. Cơ cấu chấp hành
1.3.1. Động cơ
a. Động cơ bánh răng (gear motor)
Động cơ bánh răng được phân thành 3 loại: động cơ bánh răng
thẳng, động cơ bánh răng nghiên, động cơ bánh răng chữ V.
Hình 1.52. Động cơ bánh răng
11
b. Động cơ cánh gạt (rotate motor)
Hình 1.53. Cấu tạo Động cơ cánh gạt
1.3.2. Xy lanh.a. Xy lanh lực
• Xy lanh tác dụng đơn
Áp lực tác động vào xy lanh đơn chỉ ở một phía, phía ngược lại là do
lò xo tác động hoặc là ngoại lực tác động
Hình 1.58: Xy lanh tác dụng đơn
• Xy lanh màng
Xy lanh màng hoạt động như xy lanh tác dụng đơn (hình 1.59).
12
Xy lanh màng có hành trình dịch chuyển lớn nhất (hmax = 80)
nên được dùng trong điều khiển, ví dụ trong công nghiệp ô tô (điều
khiển thắng, li hợp…), trong công nghiệp hóa chất (đóng mở van).
• Xy lanh tác dụng kép
Áp lực tác động vào xy lanh kép theo hai phía (hình 1.60).
Hình 1.60. Xy lanh tác động kép
Hình 1.61. Xy lanh khí nén có
trục dẫn hướng
Hình 1.62. Hình cắt không gian
của Xi lanh khí nén
13
b. Một số loại Xi lanh đặc biệt
• Xy lanh lồng
Xy lanh lồng là một loại xy lanh lực gồm nhiều xy lanh và
pít tông lồng đồng tâm với nhau. Khoảng chạy của xy lanh lồng là
bằng tổng khoảng chạy của các pít tông.
Hình 1.66. Sơ đồ kết cấu xy lanh lồng hai xy lanh.
1.4. Phát biểu các bài toán điều khiển
1.4.1. Các loại tín hiệu điều khiển:
Trong điều khiển khí nén nói chúng ta sử dụng hai loại tín hiệu:
Tín hiệu tương tự:
14
Chương 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN THÀNH PHẦN
TRONG HỆ THỐNG
2.1. Cấu trúc của một hệ thống PROFIBUS-DP với
SIMATIC S7
Một hệ thống mạng với PROFIBUS -DP trong SIMATIC S7
được cho như hình vẽ 1 gồm có hai thành phần chính:
Master
PROFIBUS có 2 thiết bị phân biệt là Master và Slave.
PROFIBUS-Master xác định truyền dữ liệu trên Bus. Các Master có
quyền gửi các thông báo mà không cần có yêu cầu từ ngoài, nếu nó
giữ Token.
Các Master trong phương thức PROFIBUS cũng được gọi là
các trạm tích cực (Active Node).
Slave
PROFIBUS-Slaves là các thiết bị ngoại vi I/O như các cơ
cấu chấp hành, Sensor, bộ chuyển đổi đo, nó không giữ quyền truy
cập Bus, nó chỉ nhận và gửi thông báo (data) tới Master khi có yêu
cầu. Các Slave cũng được gọi là các trạm thụ động (passive node).
15
Hình 2.1. Cấu trúc của một hệ thống PROFIBUS-DP với SIMATIC S7
2.1.1. PROFIBUS - Master
Các hệ thống S7-300 cũng như S7-400 có thể nối vào
PROFIBUS như là các Master qua các CPU có tích hợp giao tiếp
PROFIBUS-DP hoặc các CP (Communication Processing).
Các CPU có tích hợp giao tiếp PROFIBUS-DP cho phép cấu
hình các hệ thống tự động hoá phân tán với tốc độ truyền lớn nhất 12
Mbaud.
16
Hình 2.2: Cấu trúc của một hệ thống PROFIBUS-DP với SIMATIC
S7
2.1.2. PROFIBUS-Slave
Các DP Slave trong SIMATIC S7 có thể là:
Modulare Slaves ET 200M
ET200M gồm một modul giao tiếp IM153-1, modul này kết
nối với S7/M7-PROFIBUS-Master. Tất cả các modul S7-300 đều có
thể kết nối với P Bus qua ET 200M.
Vùng địa chỉ lớn nhất cho mỗi ET 200M: 128/128 Byte ngõ
vào ra với tốc độ truyền lớn nhất là 12 Mbaud.
2.1.3. Điện trở đầu cuối
PROFIBUS chỉ được nối đúng, khi nguồn cung cấp của các
trạm có đặt điện trở đầu cuối được thực sự đóng mạch. Nếu không có
điện trở đầu cuối thì PROFIBUS có thể nối qua điện trở đầu cuối tích
cực RS 485 (6ES7972-0DA00-0AA0). Sau đó điện trở đầu cuối này
được cung cấp nguồn cố định tách rời với nguồn của các thành phần
I/O khác hoặc được cấp nguồn trước I/O .
17
Hình 2.3. Các vị trí lắp đặt điện trở đầu cuối.
2.2.3. Thiết lập cấu hình hệ thống DP-Slave
Để cấu hình một DP-Slave, tiến hành theo các bước sau:
1. Chọn Compacten DP-Slave mong muốn (thí dụ: ET200B)
hoặc các modul giao tiếp (thí dụ: IM153 cho ET200M) cho một
modular Slave từ "Hardware catalog".
2. Kéo ký hiệu mong muốn từ "Hardware catalog" thả vào
ký hiệu Mastersystem . Hộp thoại “Properties -
PROFIBUS Nodes" được mở ra. ở đây có thể đặt:
- Tính chất của PROFIBUS-Subnet (thí dụ: Baudrate, ).
- Địa chỉ PROFIBUS của các DP-Slave.
3. Xác nhận bằng "OK". Một bảng cấu hình xuất hiện, biểu
diễn thành phần I/O của compact Slaves cũng như giá đỡ modul của
modular Slaves.
4. Bây giờ hãy chèn các modul mong muốn của modular DP-
Slave từ "Hardware Catalog" vào bảng cấu hình .
Sau đó đặt các địa chỉ và thông số của các modul tương tự
như cho CPU.
18
Hình 2.5. Cách thiết lập một hệ thống DP-slave với phần mềm STEP
7
Chương 3: TỔNG HỢP BÀN THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN QUÁ
TRÌNH, VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN, KHẢO SÁT THỰC
NGHIỆM
3.1. Giải pháp phần cứng
Bàn thí nghiệm điều khiển được ghép nối các trạm với nhau để
tổng thành cho một quá trình sản xuất. Khối tự động linh hoạt được
cấu thành từ sự kết nối giữa các nhóm ngành khác nhau như điện,
điện tử và bảo trì bảo dưỡng như:
- Lắp đặt, bảo trì điện cơ khí và băng chuyền
19
- Bảo trì thiết bị công nghiệp
- Các hệ thống điều chỉnh và điều khiển tự động
Hệ thống cho phép phát triển các kỹ năng khác nhau kết hợp
giữa khí nén, điện - khí nén, điện, robot và điều khiển tự động, công
nghệ PLC và lập trình, truyền thông công nghiệp, giám sát, điều khiển
đặc tính và chuẩn đoán và sửa chữa lỗi.
Hệ thống bao gồm các khối tự động linh hoạt có thể thực hiện xử
lý lắp đặt với các thiết bị có sẵn với tổng số 24 các khả năng khác nhau.
Các linh kiện được di chuyển giữa các trạm khác nhau nhờ 8m
băng chuyền với các điểm dừng tương ứng và khay nâng định vị
chính xác. Linh kiện được đặt trên khay nâng.
Các trạm xử lý hoạt động không phụ thuộc vào hệ thống băng
chuyền hay các bộ phận tích hợp bên trong nó. Các trạm được sắp
xếp quanh băng chuyền và có thể thu hồi, tái định vị, di chuyển cho
các phần lắp đặt sau hay có thể làm việc ở chế độ hoàn toàn độc lập
và ổn định.
Mỗi trạm có các bảng điện điều khiển riêng, ở đó hệ thống dây
dẫn và PLC cho khả năng quan sát toàn diện phục vụ nghiên cứu,
trong khi các thành phần mới cũng có thể được gắn trên bảng nếu cần.
Bảng điều khiển điện này cũng có thể làm hoàn toàn độc lập tại mỗi
trạm dùng cho đào tạo lập trình. Ngoài ra, học viên có thể thiết kế và
xây dựng hệ thống điều khiển riêng của họ với các PLC khác nhau và
sau đó tích hợp chúng vào trạm, qua đó phát triển các kỹ năng mới
trong các kỳ đào tạo.
Quá trình lắp đặt thực hiện tuần tự như sau:
Trạm 1: Cấp phôi để lắp đặt các linh kiện khác
Trạm 2: Lựa chọn và định vị ổ bi
3.2. Trạm cấp phôi để lắp đặt các linh kiện khác
20
3.2.1. Yêu cầu bài toán truyền thông
Viết chương trình điều khiển ghép nối mạng hai trạm cấp và định vị phối với trạm cấp và định vị ổ
bi sử dụng mạng truyền thông công nghiệp profibus
* Yêu cầu công nghệ của các trạm cấp và định vị phối.
Hình 3.1
* Sơ đồ điện :
Sơ đồ bố chí chức năng
21
Hình 3.2
3.2.2. Trạm Lựa chọn và định vị ổ bi
* Yêu cầu công nghệ của các trạm cấp và định vị ổ bi.
Hình 3.3
- Nhiệm vụ lắp ráp ổ bi được thực hiện trên khay nâng băng chuyền (khay nâng có phôi được định
vị từ trạm trước). Việc lắp ráp ổ bi đòi hỏi khay nâng mang phôi phải được di chuyển và định vị chính
xác tại điểm đặt trước. Để đạt được điều này, khay nâng tiếp tục bị chặn lại, nó được kích nâng bởi
xilanh và định tâm tại 4 chốt giống nhau (4 chốt này ăn khớp vào các lỗ ở mặt dưới tấm nâng).
3.4. Thiết lập bảng Symbol:
- Trạm kiểm tra:
22
Hình 3.4
- Viết chương trình cho trạm kiểm tra:
3.5. Viết chương trình điều khiển trạm:
23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
24
1. Kết luận
Trong thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài “Điều kiển
hệ thống xi lanh khí nén trong phòng thí nghiệm bằng PLC S7-300
của hãng Siemens”, học viên đã thực hiện được các kết quả cơ bản sau
đây:
- Tìm hiểu các thiết bị quá trình của một hệ thống thủy lực khí nén
- Tìm hiểu mạng truyền thông công nghiệp do hãng Siemens cung cấp
- Mô hình hóa hệ thống tích hợp linh hoạt FMS 300 của hãng
SMC “ Công đoạn lắp ghép gia công phôi đóng ổ” trong phòng thí
nghiệm của trường Cao đẳng Nghề Cơ Điện Hà Nội bằng phương
pháp thực nghiệm
- Lập trình gói phần mềm điều khiển hệ thống xi lanh khí nén
bằng phần mềm STEP 7
- Cài đặt phần mềm, chạy thử và kiểm tra thống điều khiển tự
động bàn thí nghiệm xi lanh khí nén bằng hệ PLC Siemens
- Kết quả nghiên cứu này góp phần vào việc chế tạo các thiết bị
tự động trong các nhà máy gia công lắp ráp ô tô, xe máy, đóng gói
sản phẩm, dây chuyền sản xuất xi măng
2. Kiến nghị và hướng phát triển
Để đề tài có tính ứng dụng cao hơn và sản phẩm thực sự đem
lại giá trị sử dụng thì cần phải thực hiện các công việc tiếp theo sau:
Đầu tư thêm thời gian và kinh phí để hoàn thiện các chương trình
điều khiển cho các modul có thể giám sát SCANDA truyền thông trong
công nghiệp;
Để có thời gian và điều kiện nghiên cứu học viên mong muốn
ứng dụng để thực thi cho hệ thống gia công được nhiều chất liệu
khác nhau, có màn hình giám sát hệ thống và có thể kết nối truyền
thông qua mạng.
25
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hoàng Minh Sơn: Hệ thống điều khiển quá trình. NXB
ĐHBK HN.
[2] Nguyễn Doãn Phước: Hệ thống điều khiển tuyến tính.
NXB KH & KT.
[3] Hoàng Minh Sơn: Mạng truyền thông công nghiệp. NXB
KH & KT.
[4] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, V.V.Hà: Tự
động hóa với SIMATIC S7-300. NXB KH & KT.
[5] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (1997)- Tự động
hoá với Simatic S7-200- NXB Nông nghiệp.
[6] Nguyễn Phùng Quang: Matlab-Simulink dành cho kỹ sư
ngành điều khiển tự động. NXB KH & KT.
[7] Lê Văn Doanh- Nguyễn Thế Công (2002) - Điện tử công
suất lý thuyết- thiết kế - ứng dụng, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật
Hà Nội.
[8] Lê Văn Doanh (2002) - Các bộ cảm biến trong KTĐL và
ĐK –NXBKHKT.
[9] Nguyễn Ngọc Phương (2004)- Hệ thống điều khiển bằng
khí nén, tác giả, Nhà xuất bản giáo dục.
[10] Bùi Quốc Khánh - Nguyễn Văn Liễn - Nguyễn Thị Hiền
(2001)- Truyền động điện nhóm tác giả, Nhà xuất bản khoa học và
kỹ thuật Hà Nội.
[11] Bùi Quý Lực (2004), Hệ thống điều khiển số trong công
nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[12] Lê Hoài Quốc (1999)- Bộ điều khiển lập trình - vận
hành và ứng dụng - KHKTH.
