XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN CHẾ BIẾN THỨC ĂN CHĂN NUÔI ỨNG DỤNG PLC S7 – 200 VÀ CITECT SCADA
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.71 MB, 67 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN
CHẾ BIẾN THỨC ĂN CHĂN NUÔI ỨNG DỤNG PLC S7 – 200
VÀ CITECT SCADA
Họ và tên sinh viên: NGUYỄN THỊ HƯƠNG
Ngành: CƠ – ĐIỆN TỬ
Niên khóa: 2006-2010
Tháng 07/2010
i
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN CHẾ BIẾN
THỨC ĂN CHĂN NUÔI ỨNG DỤNG PLC S7 – 200 VÀ CITECT SCADA
Tác giả
NGUYỄN THỊ HƯƠNG
Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành
Cơ – Điện tử
Giáo viên hướng dẫn:
KS. Nguyễn Trung Trực
TS. Nguyễn Văn Hùng
Tháng 7 năm 2010
i
LỜI CẢM TẠ
Lời đầu tiên con xin cảm ơn cha mẹ, người đã sinh ra con, nuôi con khôn lớn,
chăm lo cho con để con có điều kiện được học hành. Con không biết phải dùng lời như
thế nào để nói hết lòng biết ơn sâu sắc đối với mẹ. Mẹ là động lực để con luôn vươn
lên và vững vàng trong cuộc sống. Con luôn biết rằng cho dù bây giờ con đã lớn
nhưng mẹ vẫn luôn dõi theo bước con, nâng đỡ con mỗi khi con vấp ngã. Một lần nữa
cho con được nói hai chữ “cảm ơn cha mẹ”.
Em xin cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Nông Lâm TPHCM, các thầy
cô Khoa Cơ khí-Công nghệ đã hết lòng dạy dỗ, nâng đỡ và cung cấp cho em nhiều
kiến thức trong thời gian qua.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS. Nguyễn Văn Hùng, KS. Nguyễn
Trung Trực người đã hướng dẫn, cung cấp tài liệu và chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều
kiện để em thực hiện tốt đề tài này.
Và cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè đã quan tâm giúp đỡ và góp
ý.
Xin chân thành cảm ơn.
Người thực hiện
Sinh viên
Nguyễn Thị Hương
ii
TÓM TẮT
Ngày nay, việc ứng dụng các phần mềm và những thiết bị tự động hóa là hết
sức quan trọng, nhất là trong lĩnh vực nông nghiệp. Với khuôn khổ đề tài “Xây dựng
chương trình điều khiển dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi ứng dụng PLC S7 –
200 và Citect SCADA “ được tiến hành để thực hiện nhiệm vụ mô phỏng, giám sát,
điều khiển dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi.
Sau mười tuần nghiên cứu và thực hiện tại Bộ môn Cơ – Điện tử đề tài đã đạt
được những mục tiêu sau:
-
Lập trình được cho PLC S7 – 200 theo yêu cầu đề tài
-
Mô phỏng, giám sát được hoạt động của dây chuyền sản xuất thức ăn chăn
nuôi nhất là phần định lượng.
iii
MỤC LỤC
trang
Trang tựa ..................................................................................................................... i
Lời cảm tạ ................................................................................................................... ii
Tóm tắt ....................................................................................................................... iii
Mục lục ...................................................................................................................... iv
Danh sách chữ viết tắt ................................................................................................ vii
Danh sách các hình ..................................................................................................... viii
Chương 1. MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................. 1
1.2 Mục đích đề tài ..................................................................................................... 1
Chương 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1 Giới thiệu dây chuyền chế biến thức ăn chăn nuôi .............................................. 3
2.1.1 Quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi ............................................................... 3
2.1.2 Yêu cầu cơ bản đối với máy và thiết bị chế biến thức ăn chăn nuôi ................ 4
2.1.3 Một số sơ đồ dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi ...................................... 5
2.1.3.1 Dây chuyền sản xuất thức ăn dạng viên năng suất 6 – 7 tấn /giờ của công ty
Bukler – Thụy Sĩ ............................................................................................ 5
2.1.3.2 Dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi dạng viên năng suất 10 tấn / giờ của
công ty Peja – VANASEN (Hà Lan) .............................................................. 5
2.1.3.3 Dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi dạng viên năng xuất 10 tấn / giờ của xí
nghiệp SCALA (An Phú – Q9) ...................................................................... 6
2.2. PLC S7-200 ......................................................................................................... 6
2.2.1 Cấu trúc chung của một hệ thống PLC ............................................................ 8
2.2.2 Cấu trúc phần cứng PLC ................................................................................... 9
2.2.2.1 Bộ xử lý trung tâm ........................................................................................ 10
2.2.2.2 Bộ nhớ ............................................................................................................ 11
2.2.2.3 Khối vào ra (Input/ Output) ............................................................................ 11
2.2.3 Cấu trúc của PLC............................................................................................... 12
2.2.3.1 Các tính năng của PLC S7-200 ..................................................................... 12
2.2.3.2 Cách giao tiếp giữa máy tính và PLC ............................................................ 13
iv
2.2.4 Phương pháp lập trình. .................................................................................... 13
2.2.4.1 Ngôn ngữ lập trình .......................................................................................... 13
2.3 HMI/SCADA ........................................................................................................ 14
2.3.1. Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu HMI/SCADA..................... 14
2.3.1.1. Phân loại hệ thống SCADA ........................................................................... 15
2.3.1.2 Những chuẩn đánh giá một hệ SCADA ......................................................... 15
2.3.1.3 Cấu trúc chung của hệ SCADA ..................................................................... 16
2.4 Citect SCADA ..................................................................................................... 17
2.4.1 Các thành phần trong một dự án ....................................................................... 17
2.4.1.1 Môi trường làm việc của dự án ...................................................................... 17
2.4.1.2 Quản lý dự án ................................................................................................. 18
2.4.1.3 Cài đặt giao tiếp .............................................................................................. 18
2.4.1.4 Trang đồ họa .................................................................................................. 20
2.5. STEP 7 MicroWin .............................................................................................. 20
2.6 PC Access ............................................................................................................ 21
2.7 Simple Factory .................................................................................................... 21
Chương 3. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN
3.1 Nội dung .............................................................................................................. 23
3.2 Phương pháp ........................................................................................................ 23
3.2.1 Phương pháp thực hiện phần giao diện ............................................................ 23
3.2.2 Phương pháp thực hiện phần lập trình .............................................................. 23
3.3 Phương tiện .......................................................................................................... 24
Chương 4. THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
4.1 Khảo sát dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi ................................................ 25
4.2 Thiết kế chương trình mô phỏng .......................................................................... 28
4.3 Thiết kế chương trình điều khiển giám sát hệ thống ........................................... 28
4.3.1 Phân tích và đề xuất yêu cầu và phương án thiết kế điều khiển tự động .......... 28
4.3.2 Thiết kế chương trình điều khiển tự động cho hệ thống băng PLC ................. 29
4.3.2.1 Sơ đồ khối bộ phận điều khiển ....................................................................... 29
4.3.2 Giải thuật điều khiển ......................................................................................... 29
4.2.3 Chương trình điều khiển bằng PLC .................................................................. 31
v
4.4 Kết quả xây dựng chương trình giám sát.............................................................. 33
4.4.1 Phân tích giao diện ............................................................................................ 33
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
5.1 Kết luận ................................................................................................................ 38
5.2 Đề nghị ................................................................................................................. 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 40
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 41
6.1 Thực hiện soạn thảo chương trình điều khiển trên PLC ...................................... 41
6.2 Thực hiện trên PC Access ................................................................................... 45
6.3 Thực hiện trên Citect SCADA ............................................................................. 46
6.3.1 Tạo dự án ........................................................................................................... 47
6.3.2 Thiết lập giao tiếp .............................................................................................. 47
6.3.3 Tạo các tags (thẻ) ............................................................................................... 48
6.3.4 Giao diện (Graphics) ......................................................................................... 50
vi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PLC
: Programmable Logic Control
CPU
: Central Processing Unit
RAM
: Random Access Memory
ROM
: Read Only Memory
EEPROM
: Electronic Erasable Programmable Read Only Memory
T
: Timer
HMI
: Human Machine Interfac
SCADA
: Supervisory Control And Data Acquisition
vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1 Quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi .......................................................... 3
Hình 2.2 Cấu hình cơ bản của PLC ........................................................................... 8
Hình 2.3 Sơ đồ khối một hệ thống điều khiển bằng PLC........................................... 9
Hình 2.4 Cấu trúc phần cứng PLC ............................................................................. 10
Hình 2.5 Một PLC trong thực tế ................................................................................. 10
Hình 2.6 Chu kì quét của PLC S7 – 200 CPU............................................................ 13
Hình 2.7 Mô hình một hệ SCADA ............................................................................. 14
Hình 2.8 Màn hình soạn thảo Cicode ......................................................................... 18
Hình 2.9 Mô hình thiết lập truyền thông .................................................................... 19
Hình 2.10 Màn hình thiết lập giao tiếp ....................................................................... 19
Hình 2.11 Màn hình khai báo biến trong variable tags .............................................. 20
Hình 2.12 Màn hình biểu diến công cụ của simple Factory ....................................... 21
Hình 4.1 Dây chuyền sản xuất thức ăn dạng viên năng suất 6 – 7 tấn /giờ của công ty
Bukler – Thụy Sĩ ........................................................................................ 25
Hình 4.2 Sơ đồ chung của hệ thống............................................................................ 26
Hình 4.3 Sơ đồ hoạt động của dây chuyền ................................................................. 26
Hình 4.4 Giao diện được thiết kế trong đề tài ............................................................ 28
Hình 4.5 Sơ đồ khối bộ phận điều khiển tự động ....................................................... 29
Hình 4.6 Giải thuật điều khiển trong quá trình cung cấp nguyên liệu ....................... 30
Hình 4.7 Phương pháp thiết kế chương trình điều khiển ........................................... 31
Hình 4.8 Sơ đồ trạng thái các van và băng tải ............................................................ 33
Hình 4.9 Giao diện thể hiện khi m < x ....................................................................... 34
Hình 4.10 Giao diện thể hiện khi x
Hình 6.1 Chương trình điều khiển PLC được xây dựng ............................................ 44
Hình 6.2 Màn hình đặt tên cho dự án trong PC Access ............................................ 45
Hình 6.3 Màn hình khai báo Item trong PC Access .................................................. 45
viii
Hình 6.4 Màn hình thể hiện liên kết PLC và PC Access.............................................. 46
Hình 6.5 Màn hình khai báo Cluster
....................................................................................................................................... 4
6
Hình 6.6 Màn hình khai báo I/O Server ....................................................................... 48
Hình 6.7 Màn hình khai báo thẻ tags ............................................................................ 49
Hình 6.8 Công cụ tạo giao diện trong Graphics ........................................................... 50
Hình 6.9 Màn hình khai báo Appearance cho Q0.0 ..................................................... 51
Hình 6.10 Màn hình khai báo Input cho Q0.0 .............................................................. 51
Hình 6.11 Màn hình khai báo cho van 1 ẩn .................................................................. 52
Hình 6.12 Màn hình Appearance cho biến x ................................................................ 52
Hình 6.13 Màn hình thể hiện trang Start ...................................................................... 53
Hình 6.14 Màn hình thể hiện trang Menu .................................................................... 54
Hình 6.15 Màn hình thể hiện trang report .................................................................. 54
Hình 6.16 Một dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi trong thực tế .......................... 55
Hình 6.17 Sơ đồ công nghệ chế biến thức ăn chăn nuôi hoàn chỉnh ........................... 56
ix
Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay trong các ngành công nghiệp hiện đại, việc sử dụng máy tính là đòi
hỏi tất yếu, giúp cho việc sản xuất hoặc kiểm tra sản phẩm được dễ dàng, hạn chế sai
số, thất thoát…Người ta không cần phải xuống tận các phân xưởng để theo dõi hay
điều chỉnh bằng tay mà ta hoàn toàn có thể điều khiển, thu thập và quản lý dữ liệu tại
phòng điều khiển trung tâm cho các hệ thống tự động. Hệ thống này gọi chung là hệ
SCADA.
Trong tình hình đất nước ta hiện nay, gia nhập WTO đã thúc đẩy nền kinh tế
không ngừng phát triển, tạo cơ hội cho các doanh nghiệp giao lưu buôn bán với các
nước trong khu vực và trên thế giới. Hiện nay, việc ứng dụng khoa học công nghệ vào
lĩnh vực nông nghiệp cải tiến, tự động hóa các máy móc thiết bị, nâng cao chất lượng
và hạ giá thành sản phẩm được các doanh nghiệp quan tâm triệt để nhằm nâng cao
sức cạnh tranh, mở rộng thị trường là hết sức cần thiết. Vì vậy, tự động hóa trong dây
chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi là rất quan trọng.
Với mong muốn ứ n g d ụ n g p hầ n mề m mớ i và o t r ong hệ t h ố n g và
v i ệ c đi ề u k h i ể n v à g i á m s á t d â y c h u yề n sả n x uấ t t h ứ c ă n c h ă n n u ô i
v à ứng dụng kiến thức đã học vào thực tế. Đi theo một nhánh nhỏ của hệ SCADA
em thực hiện đề tài:
“Xây dựng chương trình điều khiển dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi ứng dụng
PLC S7 – 200 và Citect SCADA”
để thiết lập giao diện kết nối điều khiển, giám sát.
1.2 Mục đích đề tài
Nghiên cứu tự động hóa và chế độ hoạt động của dây chuyền sản xuất thức ăn
chăn nuôi nhằm mục đích phục vụ hữu ích cho việc thiết kế, chế tạo và sử dụng hệ
thống liên tục dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi đáp ứng nhu cầu. Thông qua
điều khiển những kiến thức về PLC và giám sát quá trình thông qua máy tính nhằm
nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
1
Nội dung thực hiện:
- Điều khiển tự động cung cấp nguyên liệu.
- Điều khiển tự động cân định lượng.
- Giám sát hệ thống thông qua phần mềm Citect SCADA.
2
Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Giới thiệu dây chuyền chế biến thức ăn chăn nuôi
2.1.1 Quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi
Hình 2.1 Quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi
Nguyên lý hoạt động:
Các nguyên liệu khô dạng hạt (bắp, đậu nành, tấm …) các nguyên liệu khô
dạng cục, lát (như bánh dầu, lát củ khô); cá khô, chứa trong kho hoặc các silo chưa
được định lượng đưa vào máy nghiền hoặc các máy vận chuyển (gàu tải, vít tải, cào
tải). Từ máy nghiền hỗn hợp các dạng bột được đưa vào máy trộn. Nguyên liệu dạng
bột (cám gạo, cám mì, bột mì,…) Premix được định lượng và đưa thẳng vào máy trộn.
Hỗn hợp thức ăn chăn nuôi hoàn chỉnh được đưa vào máy ép viên. Thường các máy ép
viên được cung cấp hơi nước vào để hòa trộn với thức ăn tạo thành dạng ẩm và đươc
đưa vào ép thành viên. Viên thức ăn sau khi ra khỏi máy nhiệt độ khoảng 65 ÷ 850C,
độ ẩm 28 ÷ 30% được làm nguội. Qua máy làm nguội viên đã khô cứng lại chuyển
qua sàng phân loại. Các viên đạt yêu cầu được đưa xuống silo chứa, định lượng, đóng
bao. Các viên vỡ hoặc dính được chuyển về máy ép viên, ép lại.
3
2.1.2 Yêu cầu cơ bản đối với máy và thiết bị chế biến thức ăn chăn nuôi
Máy nghiền
-
Ít tạo ra bụi bột (bụi bột cho vật ăn sống sẽ kém đồng hóa dịch vị, gây lãng
phí, mất vệ sinh cho người phục vụ…)
-
Không làm bột quá nóng (nhiệt độ bột sau khi nghiền không quá 400C)
-
Nghiền được nhiều loại thức ăn.
-
Điều chỉnh được độ to nhỏ phù hợp với từng vật nuôi.
-
Ít làm ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng nghiền
Máy trộn
- Đảm bảo chất lượng trộn cao (độ trộn đều), nhất là khi trong hỗn hợp có
những thành phần với tỉ lệ ít.
- Có thể trộn những dạng hỗn hợp khô, ẩm.
- Có năng suất cao và tiêu thụ mức năng lượng thấp.
- Sử dụng, chăm sóc thuận tiện.
Máy định lượng
-
Đảm bảo độ chính xác với độ lệch mức thấp nhất theo quy định, nếu quá
mức quy định sẽ tác động xấu đến vật nuôi.
-
Điều chỉnh mức được thuận tiện.
-
Làm việc ổn định, đơn giản, dễ sử dụng, chăm sóc thuận tiện.
Máy ép viên
- Đảm bảo kích thước viên theo yêu cầu vật nuôi.
- Đảm bảo độ bền của viên, không bị vỡ vụn khi va chạm hay rung động.
- Độ cứng của viên và yêu cầu tan rã của viên thức ăn trong nước phải đạt yêu
cầu.
- Ẩm độ của viên khi đưa vào đóng bao phải dưới 14%
- Độ đồng đều của viên cao.
- Năng suất máy cao, chi phí năng lượng riêng thấp.
- Máy và dây chuyền ép viên có khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao.
4
Tất cả các loại máy sử dụng trong hệ thống đều phải đạt được các yêu cầu về an
toàn lao động, dễ sử dụng, chăm sóc, sửa chữa dễ dàng.
2.1.3 Một số sơ đồ dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi
2.1.3.1 Dây chuyền sản xuất thức ăn dạng viên năng suất 6 – 7 tấn /giờ của công
ty Bukler – Thụy Sĩ
Trong hệ thống lắp đặt một số máy chính sau:
Sàng phân loại hạt và viên DFTA – 12 có diện tích mặt sàng 2,4m2 làm việc
theo nguyên tắc rung có động cơ của bộ phận rung công suất 0,3 kW.
Máy nghiền ZINAL DFZC – 1135 có đường kính roto nghiền 1000mm, chiều
rộng roto 350mm, quay với số vòng quay 1000 ÷ 1500 vòng/phút.
Máy trộn DFMF – 33PL , loại dải vít hẹp nằm ngang có khả năng trộn tối đa
2300kg một mẻ.
Máy ép viên DPCA – 420.138. Máy làm việc theo nguyên tắc khuôn con lăn,
đường kính trong của khuôn 420mm, chiều rộng làm việc của khuôn 138mm, trong đó
có 2 con lăn đường kính ngoài 206mm. Chi phí năng lượng riêng 25kWh/tấn. Khuôn
được làm bằng thép đặc biệt với đường kính lỗ 3mm.
Máy làm nguội DFKG – 16 .
Các máy vận chuyển trong dây chuyền là gàu tải model RGEL và các vít tải.
2.1.3.2 Dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi dạng viên năng suất 10 tấn / giờ
của công ty Peja – VANASEN (Hà Lan)
Nguyên liệu dạng cục, dạng hạt được gàu tải đưa vào các silo chứa. Dưới mỗi
silo đều có vít tải để đưa nguyên liệu từ các silo cho bộ phận định lượng theo kiểu cân
cộng dồn. Hỗn hợp nguyên liệu đã định lượng được đưa vào máy nghiền. Hỗn hợp bột
nghiền được đưa vào máy trộn kiểu dải xoắn hẹp nằm ngang.
Nếu hỗn hợp là dạng bột thì thức ăn được chuyển từ thùng chứa dưới máy trộn
sang silo chứa thức ăn dạng bột để đóng bao. Nếu sản xuất thức ăn viên thì thức ăn
dạng bột được chuyển qua máy ép viên. Sau máy ép viên là máy làm nguội, sàng phân
loại, silo chứa, đóng bao.
Máy ép viên: model Compact – 500 bao gồm máy trộn ẩm có đường kính
400mm dài 1940mm, động cơ có công suất 7,5kW (10HP) và phần máy ép viên.
5
Máy làm nguội model TK – 1800 năng suất tối đa 7 tấn/h làm nguội viên có
đường kính từ 3 ÷ 8mm, kích thước của máy 1800 × 1800 × 1600mm. Các máy vận
chuyển trong dây chuyền là các gàu tải model 200 × 200 chiều cao 23,5m năng suất 25
tấn/giờ và các vít tải model 250 có năng suất 25 tấn/ha.
2.1.3.3 Dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi dạng viên năng suất 10 tấn / giờ
của xí nghiệp SCALA (An Phú – Q9)
Đây là dây chuyền do Cộng hòa Liên Bang Đức chế tạo và lắp đặt tại xí nghiệp
An Phú (TP.HCM) từ trước năm 1975 và được bổ sung hoàn chỉnh lại năm 1996. Hệ
thống máy có năng suất 10 tấn/giờ khi sản xuất thức ăn chăn nuôi dạng bột, tối đa 7
tấn/giờ đối với các thức ăn dạng viên. Trong hệ thống gồm các máy có sẵn: máy trộn
MIAG, máy nghiền MIAG – 21772, máy định lượng đóng bao. Các máy nhập mới:
máy xử lý hồng ngoại dùng để xử lý đậu nành MICRO RED – 20, máy ép viên RP
413, sàng làm sạch phân loại hạt OBG – 25, còn lại được lắp ráp trong nước.
Với tổng giá thành trước và sau là khoảng 12 tỷ đồng Việt Nam, hiện nay nhà
máy còn đang hoạt động tốt với chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật chăn nuôi
và được tiêu thụ trong cả nước, với giá thành sản phẩm cạnh tranh. Ngoài ra sản phẩm
còn được xuất khẩu. Hiện nay nhà máy sản xuất trên 30 loại cho trâu bò, heo, gia cầm.
Do đặc điểm của các nguyên liệu chế biến thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam rất đa
dạng và khác nhau về tính chất cơ lý, vì vậy trong hệ thống máy, dây chuyền sản xuất,
các máy có những thay đổi phù hợp. Hệ thống silo chứa không phải là silo chứa hạt
mà là chứa bột đã nghiền từ nhiều máy nghiền cho các loại nguyên liệu cùng nhóm
khác nhau. Việc định lượng thực hiện từ 8 silo chứa đưa vào máy trộn bằng phương
pháp cân cộng dồn (định lượng theo trọng lượng) và được điều khiển hoàn toàn tự
động theo chương trình đã được định sẵn. Các thiết bị này được nhập từ Pháp. Máy
trộn trong hệ thống là máy trộn 2 trục với đai xoắn hẹp nằm ngang. Đường kính ngoài
của vít 700mm chiều dài 3,5m. Số vòng quay của trục 38 vòng/phút. Máy do công ty
MIAG lắp từ năm 1973 đã được hồi phục trở về trạng thái ban đầu. Nếu sản xuất thức
ăn hỗn hợp dạng bột thì từ máy trộn thức ăn được xả vào Silo chứa bột để định lượng
đóng bao.
6
2.2. PLC S7-200
Trong các hệ thống sản xuất, trong các thiết bị tự động và bán tự động, hệ thống
điều khiển đóng vai trò điều phối toàn bộ các hoạt động của máy móc thiết bị. Các hệ
thống máy móc và thiết bị sản xuất thường rất phức tạp, có nhiều đại lượng vật lý cần
phải điều khiển để có thể hoạt động đồng bộ hoặc theo một trình tự công nghệ nhất
định nhằm tạo ra một sản phẩm mong muốn.
Nhờ sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điều khiển
logic khả lập trình PLC (Programmable Logic Controller) đã xuất hiện và ngày càng
trở nên hoàn thiện và đa năng.
Chức năng chính của PLC là kiểm tra trạng thái của các đầu vào và điều khiển
các quá trình hoặc các hệ thống máy móc thông qua các tín hiệu trên chính đầu ra của
PLC. Tổ hợp logic của các đầu vào để tạo ra một hay nhiều tín hiệu ra được gọi là điều
khiển logic. Các tổ hợp logic thường được thực hiện theo trình tự điều khiển hay còn
gọi là chương trình điều khiển. Chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của
PLC có thể lập trình bằng thiết bị cầm tay nối trực tiếp với PLC hoặc lập trình trên
máy tính cá nhân bằng các phần mềm chuyên dụng và truyền vào PLC qua mạng hay
cáp truyền dữ liệu.
PLC là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số
thông qua một ngô ngữ lập trình, thay cho việc sử dụng 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 dễ trao đổi thông tin với môi trường xung
quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính). Toàn bộ chương trình điều khiển được
lưu trong bộ nhớ PLC dưới dạng khối chương trình (khối OB, FC, hoặc FB) và thực
hiện theo chu kỳ vòng quét.
Ưu điểm của PLC
PLC có những ưu điểm mà các bộ điều khiển cổ điển dùng dây nối và Relay,
mạch tích hợp, IC số không thể nào sánh được :
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.
- Gọn nhẹ nên dễ dàng di chuyển, lắp đặt.
- Dễ bảo quản, sửa chữa.
7
- Bộ nhớ có dung lượng lớn, nạp xóa dễ dàng, chứa được những chương trình
phức tạp.
- Độ chính xác cao.
- Khả năng xử lý nhanh.
- Hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp.
- Giao tiếp được với nhiều thiết bị khác, máy tính, mạng, các thiết bị điều khiển
khác.
Hình 2.2 Cấu hình cơ bản của PLC
2.2.1 Cấu trúc chung của một hệ thống PLC
Một hệ thống PLC cơ bản gồm hai phần: khối xử lý trung tâm (CPU: Central
Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/O).
- Thiết bị đầu vào (Input): gồm có các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển như nút
nhấn, cảm biến, công tắc hành trình,...
- Cơ cấu chấp hành (Actuators): gồm các thiết bị điều khiển như chuông, đèn,
công tắc, động cơ, van khí nén, điện trở, máy bơm, LED (Light Emitter Diode) hiển
thị,….
- Chương trình điều khiển (Program): định ra qui luật thay đổi tín hiệu đầu ra
(Output) theo tín hiệu đầu vào như mong muốn. Các chương trình điều khiển được
tạo ra bằng cách sử dụng bộ lập trình chuyên dùng cầm tay (Hand-hold programmer
PG) hoặc chạy bằng phần mềm điều khiển trên máy vi tính sau đó được nạp vào
PLC thông qua cổng nối giữa PLC và máy tính.
- Khối điều khiển trung tâm (CPU: Central Processing Unit) gồm ba phần: bộ phận
8
xử lý, bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp.
Sơ đồ khối một hệ thống được điều khiển bằng PLC được thể hiện như hình 2.11.
Hình 2.3 Sơ đồ khối một hệ thống được điều khiển bằng PLC
2.2.2 Cấu trúc phần cứng PLC
Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển tất nhiên PLC phải có
tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều
hành, một bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên phải có các cổng
vào ra để giao tiếp với các đối tượng điều khiển và để trao đổi thong tin với môi
trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ các bài toán điều khiển số, PLC cần
phải có thêm những khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ định thời
thời gian (Timer), và những khối hàm chuyên dụng (hình 2.4)
9
Bộ nhớ chương trình
Timer
Bộ đếm vào
ra
Khối xử lý
trung tâm + hệ
điều hành
Couter
Bit cờ
Cổng vào ra
Quản lý
ghép nối
Cổng ngắt và
đếm tốc độ cao
Hình 2.4 Cấu trúc phần cứng của PLC
Hình 2.5 Một PLC trong thực tế.
2.2.2.1 Bộ xử lý trung tâm
Bộ xử lý trung tâm CPU điều khiển và quản lý tất cả hoạt động bên trong của
PLC. Việc trao đôit thông tin giữa CPU, bộ nhớ và khối vào / ra được thực hiện thông
qua hệ thống bus dưới sự điều khiển của CPU. Một mạch dao động thạch anh cung cấp
clock tần số chuẩn cho CPU, thường là một hay 8 MHz, tùy thuộc vào bộ xử lý đang
sử dụng. Tần số xung xác định tốc độ hoạt động của PLC và được dùng để thực hiện
đồng bộ cho tất cả các phần tử trong hệ thống.
2.2.2.2 Bộ nhớ
Tất cả các PLC đều dùng các loại bộ nhớ sau:
-
ROM
10
-
RAM
-
EPROM
Với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo bộ nhớ, hầu như các PLC đều dùng bộ nhớ
EPROM. Trường hợp ứng dụng cần bộ nhớ lớn hơn có thể lựa chọn giữa bộ nhớ RAM
có nguồn pin nuôi và bộ nhớ EEPROM. Ngoài ra, PLC cần thêm bộ nhớ RAM cho các
chức năng khác nhau như:
- Bộ đệm để lưu trạng thái các ngõ vào và ngõ ra.
- Bộ nhớ tạm cho tác dụng định thì, tác vụ đếm, truy xuất cờ.
Dung lượng bộ nhớ:
Đối với PLC loại nhỏ thường bộ nhớ có dung lượng cố định, thương là 2kByte. Dung
lượng này là vừa đủ đáp ứng cho khoảng 80% hoạt động điều khiển trong công
nghiệp. Do giá thành bộ nhớ liên tục giảm, các nhà sản xuất PLC trang bị bộ nhớ ngày
càng lớn hơn cho các sản phẩm của họ.
2.2.2.3 Khối vào ra (Input/ Output)
Mọi hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC có mức điện áp 5VDC và 15VDC
(điện áp cho TTL và CMOS), trong khi tín hiệu điều khiển có thể lớn hơn nhiều,
thường từ 24VDC đến 240VDC với dòng lớn.
Khối vào ra có vai trò là mạch giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC với các
mạch công suất bên ngoài, kích hoạt các cơ cấu tác động, nó thực hiện sự chuyển đổi
cá mức điện áp tín hiệu và cách ly. Tuy nhiên khối vào/ra cho phép PLC kết nối trực
tiếp với các cơ cấu tác động có công suất nhỏ, cỡ 2A trở xuống, không cần mạch công
suất trung gian. Có thể lựa chọn thông số cho các ngõ vào ra thích hợp với các yêu cầu
điều khiển cụ thể.
Tất cả các ngõ vào và ngõ ra đều được cách ly với các tín hiệu điều khiển bên
ngoài bằng mạch cách ly quang trên các khối vào/ ra. Mạch cách ly quang dùng một
diod phát quang va một transistor quang gọi là một bộ opto – couplet. Mạch này cho
các tín hiệu điện áp nhỏ đi qua và ghim các tín hiệu điện áp cao xuống mức tín hiệu
chuẩn. Nó có tác dụng chống nhiễu khi chuyển công tắc và bảo vệ quá áp từ nguồn cấp
điện, thường lên đến 1500V.
Đối với các PLC loại nhỏ, các ngõ vào/ra vật lý được bố trí cùng với CPU, tất
cả các ngõ vào/ra là cùng loại. Những PLC lớn có cấu trúc module cho phép sự lựa
11
chọn linh hoạt hơn cho các ngõ vào/ra vì có thể chọn các ngõ vào ra có nhiều loại khác
nhau.
Các module vào ra được thiết kế nhằm đơn giản việc kết nối các cơ cấu chấp
hành và cảm biến và PLC . Tất cả các ngõ vào/ra của PLC đều được thiết kế có các
đầu đinh ốc cho phép nhanh chóng gỡ bỏ các module bị hỏng. Tại mỗi đầu nối vào ra
đều đánh số địa chỉ để nhận dạng các ngõ vào/ra cụ thể khi lập trình hay khi thực hiện
chức năng giám sát trạng thái của chúng. Trạng thái của từng ngõ vào/ra được thể hiện
bằng LED chỉ báo ngay trên PLC có tác dụng kiểm tra tình trạng hoạt động của các
cảm biến và cơ cấu tác động nối kết với PLC tiện lợi hơn.
2.2.3 Cấu trúc của PLC
PLC S7-200 là loại nhỏ nhất trong các họ PLC của hãng Siemens (Đức). PLC
S7-200 có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp nhưng có nhiều tính năng trong điều
khiển tự động nên được sử dụng nhiều trong các hệ thống điều khiển.
2.2.3.1 Các tính năng của PLC S7-200
- Hệ thống điều khiển Module nhỏ gọn.
- Có nhiều loại CPU khác nhau.
- Có nhiều Module mở rộng.
- Bus nối tích hợp Module ở mặt sau.
- Có thể nối mạng với cổng giao tiếp RS 485 hay Profibus
- Máy tính trung tâm có thể truy cập đến các Module.
- Không quy định rãnh cắm.
- Phần mềm điều khiển riêng.
- Tích hợp CPU, I/O nguồn cung cấp vào một Module.
- Micro PLC có nhiều tính năng tích hợp.
2.2.3.2 Cách giao tiếp giữa máy tính và PLC
Để có thể giao tiếp giữa máy tính và PLC cho thực hiện việc Download hoặc
Upload PLC ta phải thực hiện các bước sau:
Chọn cổng giao tiếp:
- Trường hợp giao tiếp là cáp USB thì cổng giao tiếp phải chọn USB.
- Trường hợp giao tiếp là cáp COM thì phải chọn đúng cổng giao tiếp của máy
tính.
12
2.2.4 Phương pháp lập trình.
S7-200 biểu diễn một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh lập trình.
Chương trình bao gồm một tập dãy các lệnh. S7-200 thực hiện chương trình bắt đầu từ
lệnh lập trình đầu tiên và kết thúc ở lệnh lập trình cuối trong một vòng. Một vòng như
vậy được gọi là vòng quét (scan).
Một vòng quét được bắt đầu bằng việc đọc trạng thái của đầu vào, và sau đó
thực hiện chương trình và 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.
Hình 2.6 Chu kì quét của S7-200 CPU
2.2.4.1 Ngôn ngữ lập trình.
Cách lập trình cho S7-200 nói riêng và cho các PLC của Siemens nói chung dựa
trên hai ngôn ngữ cơ bản :
Ngôn ngữ sơ đồ thang (LAD): là ngôn ngữ thông dụng nhất, thường được
dùng cho các ứng dụng của PLC. Đây là ngôn ngữ kí hiệu và các kí hiệu được sử dụng
tương tự như các kí hiệu trong các hệ thống logic relay. Sơ đồ thang gồm các chuỗi kí
hiệu nối tiếp nhau qua một dây nguồn, cấp dòng điện cho các thiết bị khác nhau. Bản
vẽ sơ đồ thang có hai thành phần cơ bản là nguồn năng lượng và các thiết bị logic điều
kiện khác nhau tạo thành bậc thang. Dòng điện lần lượt chạy qua từng bậc thang khi
các đầu vào logic hay các điều kiện logic được đáp ứng và kích hoạt.
13
Ngôn ngữ dạng STL (Statement list): là phương pháp liệt kê lệnh, trong
chương trình nó được thể hiện dưới dạng tập hợp các câu lệnh, mỗi câu lệnh biểu diễn
một chức năng của PLC.
2.3 HMI/SCADA
2.3.1. Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu HMI/SCADA
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống điều
khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người
trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông
thường. Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ SCADA phải có hệ thống truy
cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy (HMI – Human Machine
Interface).
Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọng
không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao
diện người – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điều khiển
cục bộ.
Trong những năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công
nghiệp và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải
pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn
công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống.
Hình 2.7 Mô hình một hệ SCADA
2.3.1.1. Phân loại hệ thống SCADA
Các hệ thống SCADA được phân làm bốn nhóm chính với các chức năng:
-
SCADA độc lập / SCADA nối mạng
14
- SCADA không có khả năng đồ hoạ / SCADA có khả năng xử lý đồ hoạ thông
tin thời gian thực.
Bốn nhóm chính của hệ thống SCADA
- Hệ thống SCADA mờ (Blind): Đây là hệ thống đơn giản, nó không có bộ
phận giám sát. Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống này thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ
thị. Do tính đơn giản nên giá thành thấp.
- Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực: Đây là hệ thống
SCADA có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu. Nhờ tập tin cấu hình của máy khai
báo trước đấy mà hệ có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt động của hệ thống sản xuất.
Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái hoạt động của hệ thống. Khi xảy ra sự cố thì hệ
thống có thể báo cho người vận hành để xử lý kịp thời. Cũng có thể hệ sẽ phát ra tín
hiệu điều khiển dừng hoạt động của tất cả máy móc.
- Hệ thống SCADA độc lập: Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu
với một bộ vi xử lý. Hệ này chỉ có thể điều khiển được một hoặc hai máy móc. Vì vậy
hệ này chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết.
- Hệ thống SCADA mạng: Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu
với nhiều bộ vi xử lý. Các máy tính giám sát được nối mạng với nhau. Hệ này có khả
năng điều khiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền sản xuất. Qua mạng
truyền thông, hệ thống được kết nối với phòng quản lý, phòng điều khiển, có thể nhận
quyết định điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ phòng thiết kế. Từ phòng điều
khiển có thể điều khiển hoạt động của các thiết bị ở xa.
2.3.1.2 Những chuẩn đánh giá một hệ SCADA
Để đánh giá một hệ thống điều khiển và giám sát SCADA ta cần phải phân tích
các đặc điểm của hệ thống theo một số các tiêu chuẩn sau: khả năng hỗ trợ của công cụ
phần mềm đối với việc thực hiện xây dựng các màn hình giao diện.
Số lượng và chất lượng của các thành phần đồ hoạ có sẵn, khả năng truy cập và
cách kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành,
sensor, module vào/ra qua PLC hay các hệ thống bus trường).
Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình, khả năng hỗ trợ
xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện và sự cố (Event
and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and History) và lập báo cáo (Reporting).
15
