Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống điều khiển của nhà máy

Vì thực tế lưu lượng than có quan hệ với lượng khí thông qua một hệ số tỷ lệ α nhất định. Van điều khiển gió là loại van tỷ lệ.Quan hệ tỷ lệ giữa lưu lượng than và lượng gió được liên kết cứng với nhau thông qua van tỷ lệ này.Vòng điều khiển gió chỉ có tác dụng hiệu chỉnh lại lưu lượng gió để có được phản ứng cháy xảy ra hoàn toàn và hàm lượng các chất khí thải đạt yêu cầu. Từ đây ta có thể đưa ra mô hình hệ thống điều khiển gió Hình 2.3Mô hình hệ thống điều khiển gió 1.8 Mô hình hóa đối tượng: Các phần từ tham gia vào hệ thống điều khiển ở đây bao gồm: Van cấp than. Van cấp gió. Động cơ servo điều chỉnh độ mở van cấp than. Động cơ xoay chiều ba pha điều chỉnh van cấp gió. - Precalciner. 1.8.1 Van cấp than: Đây là một khâu tác động nhanh đầu vào là tín hiệu điều khiển từ động cơ servo hay cũng chính là góc quay của động cơ và đầu ra là độ mở của van tương ứng với một lưu lượng nhất định của than được cấp xuống cho Precalciner. Van cấp than được mô tả toán học trong miền toán tử laplace là một khâu tích phân ( vì đây là loại van từ khác với van khí nén được biểu diễn bởi một khây khuếch đại ). Song trong thực tế hằng số thời gian của van là rất nhỏ ( khoảng 3 – 5s ) so với hằng số thời gian của Precalciner ( vài trăm giây ). Tức là khi van đã ở chế độ xác lập rất lâu ta mới có Precalciner ở chế độ xác lập. Vậy để đơn giản cho quá trình khảo sát nhưng không mất đi tính chính xác ta bỏ hằng số thời gian T của van lúc bấy giờ mô hình toán học của va chỉ còn là: 1.8.2 Van cấp gió: Đây là loại van tỷ lệ, có tín hiệu điều khiển từ động cơ xoay chiều và độ mở van thay đổi theo tín hiệu điều khiển than theo một tỷ lệ nhất định. Quan hệ này được liên kết cứng trong cấu hình của hệ thống. Van cấp gió được mô tả toán học trong miền toán tử laplace là một khâu khuếch đại. 1.8.3 Động cơ điều chỉnh van cấp than: Đây là động cơ xoay chiều ba pha, đầu vào của động cơ là tín hiệu điều khiển từ bộ PID và tín hiệu ra của động cơ là góc quay của động cơ. Ta biết rằng động cơ xoay chiều ba pha có thể mô tả bởi một khâu quán tính bậc nhất có trễ. Dựa vào các thông số trên nhãn máy ta tính toán được mô hình của động cơ 1.8.4 Động cơ điều khiển van gió: Cũng là động cơ xoay chiều ba pha giống như động cơ điều khiển van cấp than nhưng có công suất nhỏ hơn. Mô hình của động cơ là: 1.8.5 Precalciner: Đây là một đối tượng nhiệt truyền thống được mô tả bởi một khâu quán tính bậc nhất có trễ: Để đơn giản ta coi đầu vào của Precalciner là lưu lượng than và lưu lượng gió cấp ba, còn đầu ra là nhiệt độ. Các tham số đầu vào và đầu ra khác ta coi là không thay đổi. Dựa vào các thông số của nhà máy ta có mô hình của Precalciner là: 1.9 Nhiệm vụ điều khiển: Yêu cầu đặt ra với chất lượng của hệ thống điều khiển: Hệ thống phải ổn định theo thời gian. Sai lệch giữa nhiệt độ đặt và nhiệt độ thực của hệ thống là không quá lớn ( sai số trong phạm vi cho phép ). Thời gian xác lập phải không được quá lớn Độ quá điều chỉnh không vượt quá 20%. Từ các yêu cầu chất lượng đặt ra với hệ thống ta xây dựng được các phương pháp điều khiển, ở đây ta chọn phương pháp điều khiển tối ưu đối xứng để mong có được chất lượng yêu cầu đặt ra là tốt nhất. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG CẤP THAN VÀ CẤP GIÓ 2.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID: Hơn 50 năm qua và cho đến ngay nay bộ điều khiển PID vẫn được sử dụng rộng rãi trong các bộ điều khiển công nghiệp, là một phần tử không thể thiếu được trong quá trình tự động khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ. Do tính đơn giản trong cấu trúc cũng như trong nguyên lý làm việc, dễ hiểu, dễ sử dụng và dễ dàng thay đổi tham số của bộ điều khiển, từ đó thay đổi đặc tính động và tĩnh của đối tượng điều khiển. Bộ điều khiển PID được xây dựng từ 3 thành phần cơ bản: Khuyếch đại tỷ lệ P, thành phần tích phân I, thành phần vi phân D. Nó được sử dụng theo phương pháp hồi tiếp: PID Đối tượng điều khiển x e u y Hình 2.4 Mô hình điều khiển dùng PID. Bộ điều khiển PID tương tự có thể mô tả bằng phương trình vi phân: (1) Trong đó : e(t) : tính hiệu vào u(t) : tính hiệu ra KP : hệ số khuếch đại của luật điều khiển tỷ lệ TI : hằng số thời gian tích phân TD : hằng số thời gian vi phân Từ (1) ta có hàm truyền đạt: Với: KP : hệ số khuyếch đại KI : hệ số tích phân KD : hệ số vi phân Bộ điều khiển PID số có thể mô tả bằng phương trình sai phân: uk = uk-1 + r0.ek + r1.ek-1 + r2.ek-2 Hàm truyền đạt: 2.2 Phân tích các luật điều khiển 2.2.1 Luật điều khiển tỉ lệ P: u = Kp.e Hàm truyền đạt: W(s) = Kp => W(jω) = Kp = A(ω). eiφ(ω) A(ω) h(t) Kp Kp 0 ω 0 Hàm quá độ t φ(ω) 0 ω Đặc tính tần biên pha Hình 2.5 Các đường đặc tính của luật tỷ lệ Nhận xét: Từ đặc tính tần biên pha ta thấy quy luật tỉ lệ phản ứng như nhau ở mọi giải tần số. Góc lệch pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra là bằng 0. Điều đó có nghĩa là tác động điều khiển sẽ xuất hiện ngay sau khi có tín hiệu sai lệch. Khi hệ số Kp có giá trị nhỏ, tín hiệu ra của bộ điều khiển nhỏ, nên đáp ứng quá độ có sai số lớn. Khi tăng hệ số khuyếch đại Kp trong giới hạn nào đó thì hệ thống sẽ ổn định, sai lệch tĩnh có xu hương giảm. Khi tăng Kp lên một giới hạn nào đó thì đáp ứng của hệ thống bắt đầu dao động và hệ thống mất ổn định. Vì thế tăng Kp trong 1 giới hạn nhất định. + Ưu điểm: Tác động nhanh, chính xác, thời gian qua độ ngắn Tqd + Nhược điểm: Luôn luôn tồn tại sai lệch tĩnh. 2.2.2 Luật điều khiển tích phân I: Hàm truyền đạt: A(ω) h(t) 0 ω Hàm quá độ t φ(ω) 0 ω đặc tính tần biên pha Hình 2.6 Các đường đặc tính của luật tích phân. Nhận xét: Ở tần số cao thì quy luật tích phân phản ứng chậm. Tín hiệu ra luôn luôn chậm pha so với tín hiệu vào 1 góc . Tín hiệu đầu ra u(t) tiếp tục tăng mãi cho đến khi nào sai số điều khiển còn tồn tại. Khi tín hiệu tác động tích lũy đủ, sai số giảm tới 0. Vì thế bộ điều khiển tích phân còn được gọi là bộ điều khiển chậm sau. + Ưu điểm: Triệt tiêu sai lệch tĩnh + Nhược điểm: Tác động chậm, dễ dao động, gây mất ổn định cho hệ thống. Vì thế trong thực tế ít sử dụng quy luật điều khiển này, thường kết hợp với quy luật tỉ lệ. 2.2.3. Luật điều khiển tỉ lệ - tích phân PI: Là sự kết hợp của quy luật điều khiển tỉ lệ và quy luật điều khiển tích phân, đây là bộ điều khiển kha phổ biến, đem lại hiệu quả cao: Hàm truyền đạt: A(ω) h(t) kp kp 0 ω 0 t Hàm quá độ φ(ω) 0 ω đặc tính tần biên pha Hình 2.7 Các đường đặc tính của luật tỷ lệ tích phân. Nhận xét: Quy luật tỉ lệ - tích phân PI có 2 tham số cần điều chỉnh Kp và TI. Thông số thời gian tích phân TI có ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng của hệ thống. Việc đặt giá trị TI không phù hợp sẽ làm cho quá trình quá độ của hệ thống xấu đi, đôi khi hệ thống trở nên mất ổn định. Ưu điểm: + Tốc độ tác động nhanh ( nhờ có thành phần PI ) + Sai lệch tĩnh giảm ( nhờ có thành phần I ) 2.2.4. Luật điều khiển tỉ lệ - vi phân PD: Kết hợp của quy luật tỉ lệ và vi phân: Hàm truyền đạt: A(ω) h(t) KP KP 0 ω 0 t hàm quá độ φ(ω) 0 đặc tính tần biên pha ω Hình 2.8 Các đường đặc tính của luật tỷ lệ vi phân Ưu điểm : Tác động nhanh ( hơn cả quy luật PI ). Nhược điểm: Tồn tại sai lệch tĩnh, bị ảnh hương của nhiễu cao tần. 2.2.5. Luật điều khiển tỉ lệ - vi tích phân PID Hàm truyền đạt: A(ω) A(t) KP 0 ω 0 t φ(ω) Hàm quá độ 0 ω Đặc tính tần biên pha Hình 2.9 Các đường đặc tính của luật tỷ lệ vi tích phân. Nhận xét: Nếu chọn tham số thích hợp, thì có 1 bộ điều khiển hoàn hảo, tác động nhanh hơn cả quy luật P, không tồn tại sai lệch tĩnh. Đáp ứng mọi quá trình trong công nghiệp. Trên cơ sở phân tích các quy luật điều khiển, ta có thể rút ra một số nhận xét cần thiết khi làm quá trình tổng hợp hệ thống. Ta thấy ảnh hưởng của các tham số KP, KI, KD ảnh hưởng tới chất lượng của hệ thống ( chất lượng được đánh giá thông qua các chỉ tiêu: Tpđ, St, σmax ). Chúng ảnh hưởng lẫn nhau, phụ thuộc lẫn nhau. Rise Time Overshoot Settling Time Steady State Error Kp Giảm Tăng Thay đổi ít Giảm KI Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu KD Thay đổi ít Giảm Giảm Thay đổi ít Khi thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống, ta nên đi theo từng bước như sau: Từ hệ thống mạch hở, xác định chỉ tiêu chất lượng cần cải thiện. Thêm bộ điều khiển ti lệ để cải thiện thời gian tăng tốc. Thêm bộ điều khiển tích phân để triệt tiêu sai lệch tĩnh. Điều chỉnh KP, KI, KD cho đến khi đạt được chỉ tiêu chất lượng mong muốn, ta có thể tham khảo thêm đặc tính của các tham số ở bảng trên. Cuối cùng, phải nhớ rằng không nhất thiết phải có đầy đủ cả 3 thành phần ( tỉ lệ, tích phân, vi phân ) trong bộ điều khiển, nếu không cần thiết. Trong thực tế, chỉ cần bộ điều khiển PI là đủ, bộ điều khiển PID chỉ dùng đối với yêu cầu đòi hỏi tác động nhanh. Khi thiết kế chúng ta nên cố gắng tạo ra bộ điều khiển đơn giản nhất có thể. 2.3 Xác định tham số cho bộ điều khiển bằng phương pháp tối ưu đối xứng: Phương pháp này dựa trên nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển để có đặc tính tần số của hệ kín bằng 1 trong dải tần số lớn nhất. Phương pháp này có thể áp dụng cho mọi loại đối tượng. Nhưng thường áp dụng cho những đối tượng thuộc lớp mô hình 2 có hàm truyền đạt xấp xỉ: Xét đối tượng có hàm truyền đạt: Nếu các hằng số T1, T2,...Tn đủ nhỏ thì: với Bộ điều khiển thích hợp là PI: Với: Trong đó a, Kp chọn theo phương pháp tối ưu đối xứng. Để đảm bảo độ quá điều chỉnh nhỏ ta thường chọn a = 2. Khi đó: Nếu hàm truyền đạt của đối tượng có hằng số thời gian T1 đủ lớn vượt trội so với các hằng số thời gian khác: T2, T3, …Tn thì: với Bộ điều khiển thích hợp ở đây là PID: Chọn: TA = T1 TB = a2.Ts = 4.Ts Tính: TI = TA + TB Trong thực tế, ta cũng có thể dùng phương pháp này để xác định bộ điều khiển cho đối tượng thuộc lớp mô hình 1. Bằng cách ta chuyển đối tượng điều khiển về dạng của lớp mô hình 2. Nếu đối tượng: Có hằng số thời gian T1>>Ti và T1>>1 thì Khi đó ta sẽ sử dụng bộ điều khiển PI và xác định tham số như trên. Nếu đối tượng có khâu chậm trễ: Có hằng số thời gian trễ Tt>1 thì: Khi đó bộ điều khiển ta chọn vẫn là bộ PI và xác định tham số như trên. Nhược điểm: Bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp tối ưu đối xứng có độ quá điều chỉnh rất lớn σmax > 45% để khắc phụ được điều này, khi thiết kế bộ điều khiển tối ưu đối xứng ta thường thêm1 khâu tiền xử lý ( khâu này thường là khâu quán tính bậc nhất ). Hàm truyền của khâu tiền sử lý có dạng: M(s) Wh(s) W(t) y(t) Hình 2.10 Minh họa việc sử dụng bộ tiền xử lý để giảm độ quá điều chỉnh Với việc điều khiển nhiệt độ của Precalciner ta sử dụng hai vòng điều khiển: Vòng điều khiển than: Bộ điều khiển Động cơ đk van Van cấp than Precalciner Cảm Biến Từ mô hình trên ta có hàm truyền của đối tượng điều khiển: Đối tượng có khâu chậm trễ và ta có thể xấp xỉ về mô hình đối tượng sau: Luật PID_Mul: Luật PID_ADD: -Với vòng điều khển gió Ta có mô hình vòng điều khiển Từ mô hình trên ta có hàm truyền của đối tượng điều khiển: Đối tượng có khâu chậm trễ và ta có thể xấp xỉ về mô hình đối tượng sau: Ta có bộ điều khiển thích hợp là PI Chọn To=1 2.4 Mô phỏng hệ thống cấp than trên nền Matlab Simulink: 2.4.1 Khi chưa có bộ tiền xử lý: Hình2.11 Mô phỏng hệ thống cấp than khi chưa có bộ tiền xử lý Sau khi mô phỏng ra được đồ thị quá độ của vòng điều khiển than khi không có bộ tiền sử lý Hình 2.12 Hàm quá độ của hệ kín khi chưa có bộ tiền xử lý + Độ quá điều chỉnh: σmax = 47,24% + Thời gian quá độ: Tqđ = 1200(s) 2.4.2 Khi có bộ tiền xử lý: Hình 2.13 Mô phỏng khi có bộ tiền xử lý Hình 2.14 Mô phỏng khi có bộ tiền xử lý + Độ quá điều chỉnh: σmax = 6,6% + Thời gian quá độ: Tqđ = 1000(s) Nhận xét: Từ hai đồ thị trên ta thấy chất lượng của hệ thống đã được cải thiện rõ rệt khi có bộ tiền xử lý. + Độ quá điều chỉnh giảm. + Thời gian quá độ được rút ngắn. 2.5 Mô phỏng hệ thống cấp gió trên nền Matlab Simulink: 2.5.1 Mô phỏng hệ thốmg khi chưa có bộ tiền xử lý Hình 2.15 Mô phỏng hệ thống cấp gió Hình 2.16 Hàm quá độ của hệ thống khi chưa có bộ tiền xử lý + Độ quá điều chỉnh: σmax = 0% + Thời gian quá độ: Tqđ = 350(s) 2.5.2 Mô phỏng hệ thốngkhi có bộ tiền xử lý Hình 2.17 Mô phỏng khi có bộ tiền xử lý Hình 2.18 Hàm quá độ của hệ thống khi có bộ tiền xử lý + Độ quá điều chỉnh: σmax = 0% + Thời gian quá độ: Tqđ = 280(s) 2.6 Mô phỏng tổng hợp hệ thống: Hình 2.19 Sơ đồ Simulink mô phỏng tổng hợp hệ thống Hình 2.20 Đáp ứng ra của bộ điều khiển than Hình 2.21 Đáp ứng ra của bộ điều khiển gió Nhận xét : Hệ thống ổn định với thời gian quá độ đạt yêu cầu. Hệ thống điều khiển gió không có độ quá điều chỉnh. Như vậy việc sử dụng phương pháp tối ưu đối xứng có bộ lọc ( bộ tiền sử lý ) đã cho ta các thông số của hai bộ PID1 và PID2 của hệ thống điều khiển than và điều khiển gió đạt được chất lượng thêo yêu cầu công nghệ đặt ra. Tuy nhiên trên thực tế hệ thống thực còn có rất nhiều nhưng ảnh hưởng của nhiễu từ môi trường bên ngoài nên ta có thể sẽ phải chỉnh lại nhưng tham số của hai bộ PID trên theo kinh nghiệm thực tế. CHƯƠNG 3: GỚI THIỆU VỀ PLC S7 – 300 3.1 Tổng quan về PLC: PLC ( Programable logic controller ) là bộ điều khiển lập trình được. Chương trình do người điều khiển lập trình ra và nạp vào bộ nhớ của PLC và thực hiện logic của quá trình điều khiển. PLC thực chất là module hóa của bộ điều khiển thiết kế bằng vi mạch ( IC ). Về mặt kiến trúc PLC được thiết kế dựa trên những nguyên tắc kiến trúc máy tính. So sánh PLC và bộ điều khiển bằng dây nối cứng: Bộ điều khiển bằng dây nối cứng: Là bộ điều khiển mà các phần tử chuyển mạch được nối với nhau bằng dây dẫn vĩnh viễn. Với các bộ điều khiển loại này, ta bắt buộc phải biết rõ nhiệm vụ cần thực hiện trươc khi nối dây giữa các phần tử chuyển mạch để tạo nên hệ thống điều khiển. Mỗi khi cần có sự thay đổi một phần tử chức năng hoặc muốn mở rộng, ta bắt buộc phải thay đổi lại cấu trúc cũng như sơ đồ dây nối. Đối với những hệ thống lớn thì việc này thưc sự phức tạp và giá thành cao. Bộ điều khiển lập trình được ( PLC ): Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình, khi ta muốn thực hiện quá trình điều khiển. Nếu cần có sự thay đổi hay mở rộng chức năng ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong và không cần biết bất cứ về sự thay đổi nào mang tính chất vật lý. Ưu điểm của các sảm phẩn PLC là tính mền dẻo và khả năng mở rộng chức năng bằng nhưng module chuẩn để giải quyết những vấn đề phức tạp về điều khiển một cách nhanh chóng và kinh tế. Ưu điểm của PLC: Logic của quá trình điều khiển được thực hiện bằng chương trình chứ không phải bằng dây nối. Độ mềm dẻo cao. Nhờ có những module đã được thiết kế chuẩn hóa mà người dùng có khả năng giải quyết gần hết các quá trình có trong điều khiển tự động một cách đơn giản và thuận tiện. Tốc độ xử lý của PLC khá cao. Tiêu tốn ít năng lượng. Dễ dàng sử dụng và dẽ dàng ghép nối. Việc lập trình tương đối đơn giản nhờ có sự trợ giúp của hệ lập trình PG ( Programer ) và các khối chức năng cưng như trên máy PG. Dễ dàng thiết lập sự trao đổi thông tin với PLC khác và máy tính PC thông qua mạng LAN. Dễ dàng khởi động. Sử dụng PLC trong các hệ thống điều khiển phức tạp sẽ cho ta hiệu quả kinh tế cao hơn, giá thành hạ hơn hẳn so với phương pháp dùng dây nối cứng hoặc dùng các mạch điện tử rời rạc. 3.2 Cấu tạo và hoạt động của PLC: Bộ nhớ chương trình CPU và Hệ điều hành Timer, counter, Bit cờ Bộ đệm vào/ra Cổng vào/ra Quản lý ghép nối Hình 2.22 Cấu trúc của PLC Cấu trúc của PLC ở hình 2.1 gồm các thành phần sau: Bộ xử lý trung tâm CPU. Hệ điều hành. Bộ nhớ chương trình điều khiển. Cổng vào/ra để giao tiếp giữa các đối tượng điều khiển, trao đổi thông tin. Bộ đêm ( counter ) Các khối hàm chuyên dụng. 3.2.1 Module nguồn cung cấp PS ( Power supply ) 3.2.2 Module CPU. a. Nhiệm vụ và cấu tạo: Bộ xử lý thưc hiện nhiệm vụ điều khiển trung tâm. Thành phần gồm: - Bộ vi xử lý. - Hệ điều hành. - Bộ nhớ trong ( Ram ). - Cờ, các bộ thời gian, bộ đếm. - Các cổng vào ra. - Khối chức năng tiêu chuẩn ( phục vụ hoạt động của hệ thống như: nhận, chia, mã hóa….) - Công truyền thông ( RS485 ). b. Hoạt động: Sau khi PLC được cấp nguồn, hoạt động của nó được khởi động lại theo chế độ khởi động cứng hoặc chế độ khởi động mềm tuy thuộc vào bộ chọn chế độ ở CPU. Khi khởi động cứng quá trình diễn ra như sau: Reset cờ, bộ đếm, bộ thời gian, PII, PIO. Kiểm tra các byte vào/ra của những module vào/ra. Khi khởi động mềm chu kỳ của PLC được khôi phục lại tại điểm trước khi ngắt, đồng thời sẽ thực hiện các nhiệm vụ sau: + Reset PII, PIO. + Kiểm tra các byte vào/ra của những module vào/ra. Trong PLC, bộ xử lý thực hiện chương trình theo chu kỳ Tchu kỳ = Tlàm việc. giá trị của Tchu kỳ ( phụ thuộc vào tốc độ xử lý của từng loại PLC khác nhau và phụ thuộc vào độ lớn của chương trình ). Khi một chu kỳ bắt đầu, bộ xử lý đọc trạng thái của tất cả các tín hiệu trên đầu vào và lưu giữ chúng trong PII ( Process image input ). Bộ xử lý sẽ đọc trạng thái tín hiệu từ PII ra và xử lý lần lượt các lệnh. Địa chỉ của từng ô nhớ lưu giữ lện được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ bên trong bộ vi xử lý. Bộ xử lý tăng giá trị của bộ đếm này lên một đơn vị trước khi đọc lệnh tiếp theo. Kết quả của việc xử lý các lệnh sẽ đưa ra các tín hiệu ra, trạng thái hiện tại của tín hiệu này được lưu giữ vào PIO ( Process image output ). Khi chu kỳ kết thúc, các kết quả sẽ được chuyển từ PIO tới các đầu ra của PLC. c. Bộ nhớ chương trình: Bộ nhớ chương trình là bộ nhớ trong của PLC, đó là nơi lưu giữ chương trình quyết định hoạt động của hệ thống điều khiển. Trong bộ nhớ chương trình các lệnh được ghi tuần tự theo địa chỉ riêng. Bộ nhớ chương trình của PLC thường là Ram ( dung lượng tùy thuộc vào họ PLC ). Với Ram này ta có thể nạp, thay đổi hoặc xóa chương trình bất cứ lúc nào. Đó là một thuận lợi, tuy nhiên khi mất nguồn nuôi nội dung trong Ram cũng bị xóa hết. Để bảo vệ chương trình người ta lắp vào PLC một pin khô làm nguồn nuôi dự trữ. Chương trình được nạp vào bộ nhớ theo 2 cách: PG không nối trực tiếp với CPU của PLC: các lệnh của chương trình được đưa tuần tự vào bộ nhớ chương trình của bộ lập trình PG qua bàn phím. Sau đó được đưa vào bộ nhớ phụ ( EPROM ). Bộ nhớ này sau đó được ghép vào CPU của PLC và chương trình được nạp từ đó vào bộ nhớ trong ( Ram ) của PLC. PG được nối trực tiếp của PLC: Chương trình được đưa trực tiếp từ bàn phím vào bộ nhớ chương trình của PG, sau đó được chuyển vào Ram của PLC. Điều này được thực hiện nhờ nút “ copy “ ở CPU. 3.2.3 Các module vào/ra SM ( Signal Module ). Là các module tạo ra giao diện giữa PLC và thiết bị ngoài. Module vào/ra số và vào/ra tương tự: Những module vào/ra số phục vụ cho việc giải quyết những vấn đề điều khiển logic đơn giản mà trạng thái tín hiệu là “ 0 “ hoặc “ 1 “. Trong những trường hợp khác, trạng thái tín hiệu là tương tự thì ta cần module vào/ra tương tự để phục vụ cho quá trình xử lý. Về bản chất thì nó chính là các bộ chuyển đổi tương tự 12bit ( AD ), tức là mỗi tín hiệu tương tự thì được chuyển đổi thành tín hiệu số có độ dài 12bit. 3.2.4 Modul giao diện IM ( Interface module ): Module này có chức năng thiết lập sự nối giữa phần khối mở rộng và trung tâm điều khiển PLC. 3.2.5 Module chức năng mở rộng: Module này có chức năng điều khiển ( như điều khiển động cơ bước, động cơ servo, module PID…) 3.2.6 Module phục vụ truyền thông CP ( Communication module ): Module này phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC vời nhau hoặc giữa PLC với PC. 3.3 Lập trình cho PLC: 3.3.1 Ngôn ngữ lập trình cho PLC Ngôn ngữ lập trình cho PLC do các hãng chế tạo viết riêng cho PLC của họ. người thiết kế sẽ sử dụng ngôn ngữ lập trình để soạn thảo, sửa đổi và chạy thử các chương trình điều khiển. Người ta có thể lập trình trên máy PC hoặc trên các bộ lập trình chuyên dụng sách tay gọn nhẹ ( Hand hold programmer ). Sau đó chương trình được truyền sang PLC bằng cách nối giữa chúng hoặc được ghi vào module nhớ EPROM và sau đó lắp vào bộ nhớ phụ của PLC. Người ta sử dụng 3 phương pháp là: LAD ( Ladder diagram ) CSF ( Controll System Flowchat ) STL ( Statement List ) Trong đó phương pháp biểu diễn LAD đã được ISO đưa vào thành tiêu chuẩn chung và tất cả các hãng chế tạo PLC đều phải tuân theo tiêu chuẩn này. 3.3.2 Bộ lập trình cho PLC ( Programmer – PG ) Đây là bộ lập trình tiêu chuẩn, có kết cấu gọn nhẹ và hoàn toàn tương thích với máy tính cá nhân PC. Nó được dùng để lập trình các chương trình điều khiển, kiểm tra và khởi động các bộ PLC. Những bộ lập trình này có thể chạy theo 2 chế độ: Chế độ nối với PLC: Chương trình được tạo ra, kiểm tra và sửa lỗi trên PG, sau đó được chuyển vào RAM của PLC thông qua cáp nối giữa chúng. - Chế độ không nối với PLC: Chương trình được tạo ra, khiểm tra và sửa lỗi trên PG, sau đó lưu trữ trên đĩa mềm hoặc đĩa cứng và không cần cáp nối giữa PG và PLC. Khi muốn đưa chương trình vào PLC ta sẽ chuyển vào bộ nhớ phụ EPROM, EPROM của PLC. Thông số kỹ thuật của PG: + CPU với bộ vi xử lý. + Dung lượng bộ nhớ sử dụng RAM. + Dung lượng ổ đĩa cứng. + Bàn phím. + Màn hình. + Giao diện// cho máy in. + Giao diện nối tiếp. + Nguồn cung cấp, pin khô dự trữ. 3.4 Các ứng dụng của PLC: Nhờ có các ưu điểm trên, ngày nay PLC được ứng dụng rất rộng rãi trong các nhiệm vụ đo lương – điều khiển tự động tron công nghiệp, có thể kể ra một số ứng dụng sau đây của PLC: Xây dụng các hệ thống điều khiển và thu thập số liệu ( SCADA ). Các hệ thống này được dùng để giám sát, theo dõi và điều khiển hoạt động của nhà máy hay một phân xưởng sản xuất. Từ hệ thống điều khiển ta có thể ra lệnh đến đối tượng điều khiển thông qua PLC và ngược lại, các số liệu về hoạt động và trạng thái được truyền từ PLC về hệ thống qua đường truyền tiêu chuẩn. Xây dựng các hệ thu thập số liệu bằng PLC cỡ vừa. Sau đó nối chúng thành mạng và truyền số liệu về máy tính chủ. Xây dựng các bài thí nghiệm về môn học kỹ thuật số cũng như môn học về lý thuyến điều khiển tự động mà không cần đến vi mạch. Dùng tron các hệ điều khiển số máy công cụ CNC. 3.5 Các PLC thuộc họ Simatic của hãng Siemens: Trong khuôn khổ đồ án này sẽ trình bày chi tiết về cấu tạo và hoạt động cũng như ứng dụng của PLC thuộc họ SIMATIC của hãng SIEMENS. Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ cho Precalciner của nhà máy xi măng Tam Điệp trên cơ sở cùng PLC loại S7 – 300 của SIEMENS. Ta chọn PLC S7 – 300 của hãng SIEMENS và những lý do sau: Bộ môn Điều Khiển Tự Động hiện có các PLC S7 – 300 và các bộ lập trình do đó có đủ điều kiện để lập trình và chạy thử các chương trình điều khiển trên PLC. Đã có đại diện của hãng SIEMEMS tại Hà Nội để giới thiệu, bán các sản phẩm của hãng và cung cấp các dịch vụ tư vấn cần thiết. Nhà máy xi măng Tam Điệp đã được trang bị hệ thống đo lường điều khiển dùng hệ PLC của hãng Allen Bradley ( AB) tuy nhiên do điều kiện không có phần mềm của hãng nên trong đồ án này chúng em sử dụng PLC S7 – 300 của hãng SIEMENS. 3.5.1 Cấu tạo và hoạt động của PLC S7 – 300 họ SIMATIC. Mọi sản phẩm PLC thuộc họ SIMATIC đều có các thành phần đã nêu ở mục trên, ở đây ta sẽ trình bầy chi tiết một PLC loại S7 – 300. Thông số kỹ thuật của S7 – 300: - Bộ nhớ: Kích thước của bộ nhớ phụ thuộc vào chủng loại của từng module CPU. Hình 2.2 trình bày tổng quan về cách phân chia bộ nhớ cho các vùng nhớ khác nhau, bao gồm: + Vùng nhớ chứa các thanh ghi. + Vùng nhớ hệ thống ( System Memory ): Chứa các bộ đệm vào ra số, các biến cờ, thanh ghi C – word, PV, T – Bit của Timer, thanh ghi C – word, PV, C – Bit của Counter. + Vùng nhớ Load Memory: vùng nhớ này chứa chương trình ứng dụng, nó được tạo bởi một phần bộ nhớ RAM của CPU và EPROM. + Vùng nhớ Work Memory: Vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương trình ( OB, FC, FB, SFC, SFB ) đang được CPU thực hiện và phần bộ nhớ cấp phát cho các tham số hình thức để các khối chương trình này trao đổi tham trị với hệ điều hành và với các khối chương trình khác. Tại một thời điểm nhất định vùng Word Memory chỉ chứa một khối chương trình. Acumulator Address register Data block register Status word System memory Bộ đệm ra số: Q Bộ đệm vào số: I Vùng cờ nhớ: M Timer: T Counter: C Work Memory Load Memory ACCU1 ACCU2 AR1 AR2 DB DB Status Hình 2.23 Cách phân chia bộ nhớ Bảng sau trình bày chi tiết hơn về ý nghĩa các vùng nhớ ( kích thước phụ thuộc vào chủng loại CPU ). TÊN GỌI KÍCH THƯỚC TRUY NHẬP KÍCH THƯỚC TỐI ĐA Ý NGHĨA Process – Image (I) I IB IW ID 0.0 – 127.7 0 – 127 0 – 126 0 – 124 Đầu mỗi vòng quét, hệ điều hành sẽ ghi vào phần nhớ này các giá trị được lấy từ cổng vào số vật lý của module Process – Image (O) Q QB QW QD 0 – 127 0 – 126 0 – 124 Cuối mỗi vòng quét, hệ điều hành sẽ đọc nội dung của vùng nhớ này và chuyển vào cổng ra số của các module. Bit memory ( M) M MB MW MD 0.0 – 255.7 0 – 255 0 – 254 0 – 252 Được sử dụng như một miền biến các biến cờ cho chương trìng ứng dụng. Timer ( T ) T0 – T255 Miền lưu giữ các giá trị PV, CV, T – Bit của Timer Counter ( C ) C0 – C255 Miền lưu giữ các giá trị PV, CV