1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Ở nước ta hiện nay, tại các thành phố lớn như Hà Nội, TP.Hồ Chí Minh, Đà Nẵng,…hoặc nhưng nơi tập trung đông dân cư, thì việc chiếu sáng giao thông đô thị về đêm là một điều vô cùng cần thiết vì tại những thành phố này vẫn có một số lượng lớn các phương tiện giao thông hoạt động ban đêm. Việc chiếu sáng giao thông đô thị ban đêm cần được thực hiện sao cho đảm bảo việc chiếu sáng hiệu quả, không gây ảnh hưởng người điều khiển phương tiện giao thông, và đặc biệt là tiết kiệm năng lượng. Điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng đô thị là một mô hình thu nhỏ của một dự án đèn chiếu sáng đô thị đáp ứng được các yêu cầu trên. Đề tài cung cấp một mô hình của hệ thống chiếu sáng theo thời gian thực, tự động thay đổi chế độ, thời gian chiếu sáng theo mùa( mùa đông sẽ bật đèn sớm hơn và tắt muộn hơn mùa hè). Hệ thống còn cung cấp chế độ sáng đều (buổi tối) và sáng tiết kiệm (buổi khuya) nhằm tiết kiệm năng lượng chiếu sáng. Thấy được tính quan trọng của đề tài, ta cần nhanh chóng nghiên cứu thử nghiệm và áp dụng rộng rãi tại tất cả các thành phố trên cả nước. 1.2 Hệ thống truyền thông 1.2.1 Thiết bị điều khiển 1.2.1.1 Thiết bị điều khiển logic PLC S7-200 Trong công nghiệp sản xuất, để điều khiển một dây truyền, một thiết bị công nghiệp người ta thực hiện kết nối các linh kiện điều khiển rời với nhau tùy theo mức độ yêu cầu thành một hệ thống điều khiển. Hệ thống này phức tạp trong thi công, sửa chữa, bảo trì do đó giá thành cao; khó khăn nhất là khi cần thay đổi một số hoạt động nào đó trong cả dây trruyền. Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC (Progammble Logic Control) là loại thiết bị cho phép điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thực hiện thuật toán đó bằng mạch số. Bộ điều khiển PLC hình thành từ các nhóm kỹ sư hãng general Motors năm 1968 với ý tưởng ban đầu là thiết kế một bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu sau: - Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu - Dễ dàng sửa chữa thay thế - Ổn định trong môi trường công nghiệp - Giá cả cạnh tranh - Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được các chương trình phức tạp - Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp - Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các Modul mở rộng. Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thốn g. Chức năng mà bộđiều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình .Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện viêc điều khiển dựa và o chư ơng trình này. Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ , ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC . Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dể dàng mà không cần m ột sự ca n thiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay Relay 1.2.1.2 Thiết bị bảo vệ a) Rơle trung gian Rơle trung gian đựợc sử dụng rất nhiều trong các hệ thống bảo vệ điện, trong các hệ thống điều khiển tự động. Rơle trung gian có số lượng tiếp điểm lớn, từ 4-6 tiếp điểm, vừa thường đóng vừa thường mở.Trong bảng mạch điều khiển dùng linh kiện điện tử ,Rơle trung gian được dùng làm phần tử đầu ra để truyền tín hiệu cho các bộ phận mạch phía sau, đồng thời cách li điện áp khác nhau giữa phần điều khiển thường là điện áp thấp 1 chiều (5V,10V,12V,24V) với phần chấp hành là điện áp lớn xoay chiều (220V) Yêu cầu khi chọn Rơle trung gian: - Số lượng tiếp điểm phù hợp. - Tiếp điểm có độ bền cơ khí,độ bền điện - Công suất tiêu thụ nhỏ - Kết cấu đơn giản - Thời gian tác động nhanh 1.2.1.3 Hệ thống các công tắc và nút ấn Nút ấn là loại khí cụ điện dùng để đóng ngắt các thiết bị điện từ khác nhau.;có một hoặc một số tiếp điểm dùng tay ấn để đóng cắt mạch điều khiển trong các hệ truyền động điện tự động, điều chỉnh điện áp, vv. Nút ấn lắp trên các bảng và bàn điều khiển, thường chế tạo đến điện áp 660 V (xoay chiều) và 440 V (một chiều). Dòng điện cho phép đến 15 A. Nút ấn gồm có lò xo, các tiếp điểm thường mở và thường đóng 2 GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ KHẢ TRÌNH PLC Do các đặc điểm trên, PLC cho phép người điều hành không mất nhiều thời gian nối dây phức tạp khi cần thay đổi chương trình điều khiển, chỉ cần lập chương trình mới thay cho chương trình cũ. Việc sử dụng PLC vào các hệ thống điều khiển ngày càng thông dụng, để đáp ứng yêu cầu ngày càng đa dạng này, các nhà sản xuất đã đưa ra hàng loạt các dạng PLC với nhiều mức độ thực hiện đủ để đáp ứng các yêu cầu khác nhau của người sử dụng. Để đánh giá một bộ PLC người ta dựa vào 2 tiêu chuẩn chính: • Dung lượng bộ nhớ và số tiếp điểm vào/ra của nó. • Các chức năng như: bộ vi xử lý, chu kỳ xung clock, ngôn ngữ lập trình, khả năng mở rộng số ngõ vào/ra. Với PLC việc giải quyết các bài toán tự động hoá khác nhau hầu như không biến đổi gì về cơ cấu ngoài việc phải thay đổi chương thình điều khiển sao cho phù hợp. PLC có khả năng tuyệt đối về khả năng linh động, mềm dẻo và hiệu quả về giải quyết các bài toán cao hơn so với các kỹ thuật cổ điển. L pậ trình Ch ng trìnhươ D li u ữ ệ i u khi nĐ ề ể v oà ra M ch giao ti p c m bi nạ ế ả ế M ch công su t tác ngạ ấ độ Quá trình được điều khiển Ngu n c m bi nồ ả ế Sơ đồ khối bên trong PLC Chỉ tiêuso sánh Rơle Mạch số Máy tính PLC Giá thành từng chức năng Khá thấp Thấp Cao Thấp Kích thước vật lý Lớn Rất gọn Khá gọn Rất gọn Tốc độ điều khiển Chậm Rất nhanh Khá nhanh Nhan h Khả năng chống nhiễu Xuất sắc Tốt Khá tốt Tốt Lắp đặt Mất thời gian thiết kế và lắp đặt Mất thời gian thiết kế Mất nhiều thời gian lập trình Lập trình và lắp đặt đơn giản Khả năng điều khiển tác vụ phức tạp Không Có Có Có Dễ thay đổi điều khiển Rất khó Khó Khá đơn giản Rất đơn giản Các công tác bảo trì Kém - có rất nhiều công tắc Kém - IC được hàn Kém - có rất nhiều mạch điện tử chuyên dùng Tốt - các mô dun được tiêu chuẩn hoá siemens simatic s7-200 Các tín hiệu đầu vào Ngu n 24 VDCồ Các tín hiệu đầu ra Nguồn nuôi cho PLC Công tắc chuyển trạng thái làm việc Nút chỉnh analog Đèn báo trạng thái cổng vào/ ra Báo trạng thái làm vi cệ • Trạng thái làm việc gồm 3 phần: SF màu đỏ báo trạng thái hỏng của PLC. RUN màu xanh báo trạng thái làm việc của PLC STOP màu vàng báo trạng thái dòng của PLC • Nguồn 24VDC là nguồn một chiều lấy trong PLC ra với dòng khoảng 200mA cấp cho bộ cảm biến. • Công tắc chuyển trạng thái làm việc của PLC cả 3 vị trí: Vị trí STOP chuyển PLC sang trạng thái dòng Vị trí RUN chuyển PLC sang trạng thái làm việc Vị trí TERM chuyển PLC sang trạng thái điều khiển bằng máy tính. Hình 2.1: Cấu trúc bên ngoài của S7-200 CẤU HÌNH PHÂN CỔNG CỦA S7 -200 2.1. Đơn vị xử lý trung tâm (CPU Central Procesing Unit): Thường trong mỗi PLC có một đơn vị xử lý trung tâm, ngoài ra còn có một số loại lớn có tới hai đơn vị xử lý trung tâm dùng để thực hiện những chức năng điều khiển phức tạp và quan trọng gọi là hot standbuy hay redundant. a) Đơn vị xử lý "một -bit": Thích hợp cho những ứng dụng nhỏ, chỉ đơn thuần là logic ON/OFF, thời gian xử lý dài, nhưng kết cấu đơn giản nên giá thành hạ vẫn được thị trường chấp nhận. b) Đơn vị xử lý "từ - ngữ": • Xử lý nhanh các thông tin số, văn bản, phép tính, đo lường, đánh giá, kiểm tra. • Cấu trúc phằn cứng phức tạp hơn nhiều. • Giá thành cao.  Nguyên lý hoạt động: - Thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình → gọi tuần tự (do đã được điều khiển và kiểm soát bởi bộ đếm chương trình do đơn vị xử lý trung tâm khống chế). - Bộ xử lý liên kết các tín hiệu (dữ liệu) đơn lẻ (theo một quy định nào đó - do thuật toán điều khiển) → rút ra kết qủa là các lệnh cho đầu ra. - Sự thao tác tuần tự của chương trình đi qua một chu trình đầy đủ rồi sau đó lại bắt đầu lại từ đầu → thời gian đó gọi là "thời gian quét". - Đo thời gian mà bộ xử lý xử lý 1 kbyte chương trình để làm chỉ tiêu đánh giá giữa các PLC. ⇒ Như vậy bộ vi xử lý quyết định khả năng và chức năng của PLC. 2.1.1. Bộ nhớ: Bao gồm cả RAM, ROM, EEPROM. Một nguồn điện dự phòng là cần thiết cho RAM để duy trì dữ liệu ngay cả khi mất nguồn điện chính. Bộ nhớ được thiết kế thành dạng modul để cho phép dễ dàng thích nghi với các chức năng điều khiển với các kích cỡ khác nhau. Muốn rộng bộ nhứo chỉ cần cắm thẻ nhớ vào rãnh cắm chờ sẵn trên modul CPU. 2.1.2. Khối vào/ ra: Hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC: 5VDC, 15VDC (điện áp cho họ TTL & CMOS). Trong khi đó tín hiệu điều khiển bên ngoài có thể lớn hơn. khoảng 24VDV đến 240VDC hay 110VAC đến 220VAC vói dòng lớn. Khối giao tiếp vào ra có vai trò giao tiếp giữa mạch vi điên tử của PLC với mạch công suất bên ngoài.Thực hiện chuyển mức điện áp tín hiệu và cách ly bằng mạch cách ly quang (Opto-isolator) trên các khối vào ra. Cho phép tín hiệu nhỏ đi qua và ghim các tín hiệu có mức cao xuống mức tín hiệu chuẩn. Tác dụng chống nhiễu tốt khi chuyển công tắc bảo vệ quá áp từ nguồn cung cấp điện lên đến điện áp 1500V. • Ngõ vào: nhận trực tiếp tín hiệu từ cảm biến. • Ngõ ra: là các transistor, rơle hay triac vật lý. 2.1.3. Thiết bị lập trình: Có 2 loại thiết bị có thể lập trình được đó là : • Các thiết bị chuyên dụng đối với từng nhóm PLC của hãng tương ứng. • Máy tính có cài đặt phần mềm là công cụ rất lý tưởng. 2.1.4. Rơle: Rơle là bộ nhớ 1 bít, có tác dụng như rơle phụ trợ vật lý như trong mạch điều khiển dùng rơle truyền thống gọi là các rơ le logic. Theo thuật ngữ máy tính thì rơle còn được gọi là cờ, kí hiệu là M. Có rất nhiều loại rơle chúng ta sẽ khảo sát kỹ hơn đới với loại các PLC của hãng. 2.1.5. Modul quản lý việc phối ghép: Dùng để phốii ghép bộ PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị lập trình, bảng vận hành và mạng truyền thông công nghiệp. 2.1.6. Thanh ghi (Register): là bộ nhớ 16 bit hay 32 bit để lưu trữ tạm thời khi PLC thực hiện quá trình tính toán. -Thanh ghi chốt (Latch register) duy trì nội dung cho đến khi nó được chồng lên bằng nội dung mới. - Thanh ghi chuyên dùng (Special register). - Thanh ghi tập tin hay thanh ghi bộ nhớ chương trình (Program memory registers). - Thanh ghi điều chỉnh giá trị được từ biến trở bên ngoài (External adjusting register). - Thanh ghi chỉ mục (Index register). 2.1.7. Bộ đếm (Counter): kí hiệu là C. a) Phân loại: tín hiệu đầu vào. - Bộ đếm lên. - Bộ đếm xuống. - Bộ đếm lên - xuống, bộ đếm này có cờ chuyên dụng chọn chiều đếm. - Bộ đếm pha phụ thuộc vào sự lệch pha giữa hai tín hiệu xung kích. - Bộ đếm tốc độ cao (high speed counter), xung kích có tần số cao khoảng vài kZ đến vài chục kZ. Bộ đếm 16 bit: thường là bộ đếm chuẩn, có giá trị đếm trong khoảng -32768 ÷ 32767. - Bộ đếm 32 bit: cũng có thể là bộ đếm chuẩn nhưng thường là bộ đếm tốc độ cao. - Bộ đếm chốt: duy trì nội dug đếm ngay cả khi PLC bị mất điện. 2.1.8. Bộ định thì (times): kí hiệu là T Được dùng để định các sự kiện có quan tâm đến vấn đề thời gian, bộ địng thì trên PLC được gọi là bộ định thì logic. Việc tỏ chức định thì thực chất là một bộ đếm xung với chu ký có thể thay đổi được. chu kỳ của xung tính bằng đơn vị milis gọi là độ phân giải. Tham số của bộ định thì là khoảng thời gian định thì, tham số này có thể là biến hoặc là hằng, 2.2.Giới thiệu một số nhóm PLC Siemens  Siemens: có ba nhóm • CPU S7 200: CPU 21x: 210; 212; 214; 215-2DP; 216. CPU 22x: 221; 222; 224; 224XP; 226; 226XM. • CPU S7300: • CPU S7400:  Tổng quan về họ PLC S7-200 của hãng Siemens: Có hai series: 21x (loại cũ không còn sản xuất nữa) và 22x (loại mới). Về mặt tính năng thì loại mới có ưu điểm hơn nhiều.Bao gồm các loại CPU sau: 221, 222, 224, 224XP, 226, 226XM trong đó CPU 224XP có hỗ trợ analog I/O onboard và 2 port truyền thông [...]... trình 2.3.4 Pin và nguồn nuôi bộ nhớ: Sử dụng tụ vạn năng và pin Khi năng lượng của tụ bị cạn kiệt PLC sẽ tự động chuyển sang sử dụng năng lượng từ pin 2.3.5 Giao tiếp ngoại vi: với thiết bị • Thiết bị lập trình loại PGxx được trang bị sẵn phần mềm lập trình, chỉ lập trình được với ngôn ngữ STL • Máy tính PC: Hệ điều hành Win 95/98/ME/2000/NT4.x Trên đó có cài đặt phần mềm Step7 Mcro/Win 32 và Step7... trúc phần cứng của S7-200: 2.3.1 Hình dáng bên ngoài:  Các đèn trạng thái: • Đèn RUN-màu xanh: Chỉ định PLC ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình đã được nạp vào bộ nhớ chương trình • Đèn STOP-màu vàng: Chỉ định PLC ở chế độ STOP, dừng chương trình đang thực hiện lại (các đầu ra đều ở chế độ off) • Đèn SF-màu đỏ, đèn báo hiệu hệ thống bị hỏng có nghĩa là lỗi phần cứng hoặc hệ điều hành Ở đây cần... Thông tin khối hệ thống được chép vào PLC Communications (truyền thông) dùng để thiết lập truyền thông giữa các PLC với nhau hoặc giữa PC và PLC Set PG/PC Interace dùng để thiết lập loại cáp truyền thông b) Soạn thảo chương trình Cách 1: Chọn File/New Cách 2: Chọn biểu tượng New Projectc trên cửa sổ chính Tạo project mới Read CPU type nếu đã nối giữa máy tính và PLC để phần mềm tự xác lập loại CPU đang... mắc nối tiếp (theo một móc xích) về phía bên phải của module CPU Các module số hoặc tươgn tự đều chiếm chỗ trên bộ đệm 100 vào/ra tương ứng với đầu vào/ra của module Ví dụ về cách khai báo địa chỉ trên các module mở rộng: 3 BÀI TẬP THỰC HÀNH : THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CẦU ĐƯỜNG QUẬN CẦU GIẤY SỬ DỤNG PLC S7-200 3.1 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 3.1.1 Nguyên lý làm việc  Bấm START bắt đầu chương trình, có... thường(sáng) và sáng tiết kiệm( sáng_1) 3.2 Sơ đồ mạch động lực Việc cài đặt và kết nối PLC với WinCC 4 4 1 Cài đặt phần mềm 4.1.1 Cài đặt phần mềm Step7 MicroWin V4.0 Các yêu cầu về phần cứng và phần mềm:  Bộ vi xử lý và bộ nhớ: Máy vi tính với CPU 80586 hoặc Version ít nhất 64MB, hoặc thiết bị lập trình của Siemens (như PG740)  Hệ điều hành: Microsoft Windows 95, Windows 98,…,Windows NT4.0  Vùng đĩa cứng... dụng nguồn điện ngoài, có thể là DC hoặc AC nhưng không vượt quá 220V Nếu sử dụng đối với những thiết bị tiêu thụ có công suất bé khoảng chừng vài Woat thì có thể lấy trực tiếp nguồn của cảm biến 2.4 Cấu trúc bộ nhớ S7-200: 2.4.1 Phân chia bộ nhớ: Bộ nhớ được chia làm 4 vùng cơ bản, hầu hết các vùng nhớ đều có khả năng đọc ghi chỉ trừ vùng nhớ đặc biệt SM (special memory) là vùng nhớ chỉ đọc • Vùng... Windows và có độ phân giải tối thiểu 800x600 Pixel Một trong các bộ thiết bị sau:  Cáp PC/PPI được nối với các cổng truyền thông ( PC COM1 hoặc COM2)  Card CP( Communication Processor: xử lý truyền thông ) và cáp MPI( Multipoint Interface: giao tiếp đa điểm )  Card MPI ( có cáp truyền thông cùng với card MPI ) Phần lớn các đĩa gốc của Step7 đều có khả năng tự cài đặt chương trình (Autorun) Bởi vậy chỉ... này sẽ được biên dịch và chép xuống PLC, còn chú thích chương trình thì vẫn giữ nguyên trên máy tính Symbol Table (bảng ký hiệu) là phương tiện cho phép người lập trình sử dụng định địa chỉ theo ký hiệu (Symbolic Addressing) Các ký hiệu đôi khi thuận tiện hơn cho người lập trình và làm cho dễ theo dõi logic chương trình Chương trình đã được biên dịch khi chép vào PLC sẽ đổi tất cả các ký hiệu thành... V4.0 cho phép người lập trình có thể xem được giá trị, trạng thái cũng như đồ thị của các biến Nhưng chỉ sử dụng được trên máy tính có cài đặt hệ điều hành Window 2000/WinNT và PLC loại version mới nhất hiện nay 2.3.6 Giao tiếp giữa sensor và cơ cấu chấp hành: S7-200 có hai loại cơ bản: AC/DC/RLY_loại này điện áp nguồn cung cấp từ 85÷264VAC, tần số 47÷63 Hz; - Điện áp vào: có nguồn cung cấp điện áp chuẩn... máy tính để hoàn tất, chọn Finish Hình 2.8 - Kết thúc quá trình cài đặt, Restar lại máy tính 4.1.2 Cách sử dụng phần mềm Step 7 Micro Win Step7 MicroWin 3.2 hoặc 4.0 là phần mềm dùng để lập trình cho PLC S7-200 a) Khởi động: Cách 1: Vào Start/Simatic/Step 7 Micro Win 4.0 Hình 2.9 - Cách khởi động chương trình Cách 2: Double Click vào biểu tượng Step 7 Micro Win 4.0 Sau khi khởi động xong trên màn hình . nước. 1.2 Hệ thống truyền thông 1.2.1 Thiết bị điều khiển 1.2.1.1 Thiết bị điều khiển logic PLC S7-200 Trong công nghiệp sản xuất, để điều khiển một dây truyền, một thiết bị. transistor, rơle hay triac vật lý. 2.1.3. Thiết bị lập trình: Có 2 loại thiết bị có thể lập trình được đó là : • Các thiết bị chuyên dụng đối với từng nhóm PLC của hãng tương ứng. • Máy tính có. Khi năng lượng của tụ bị cạn kiệt PLC sẽ tự động chuyển sang sử dụng năng lượng từ pin. 2.3.5. Giao tiếp ngoại vi: với thiết bị • Thiết bị lập trình loại PGxx được trang bị sẵn phần mềm lập