Luận Văn Nghiên cứu ứng dụng PLC S7 300 để điều khiển mở cửa nhà kho tự động

Đồ án tốt nghiệp năm 2012
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng PLC S7_300 để điều khiển mở cửa nhà kho tự động.


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN 1
MỤC LỤC . 2
DANH MỤC CÁC HÌNH 3
LỜI NÓI ĐẦU . 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PLC S7_300 VÀ HỆ THỐNG CỬA NHÀ KHO
TỰ ĐỘNG . 6
1.1.TỔNG QUAN VỀ PLC S7_300 VÀTỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH 7
1.2. PHÂN LOẠI TỰ ĐỘNG HÓA 10
1.2.1 Tự động hóa cứng 10
1.2.2 Tự động hóa lập trình 10
1.2.3Tự động hóa linh hoạt . 10
1.3 SỰ CẦN THIẾT CỦA TỰ ĐỘNG HÓA 11
1.4.TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỬA TỰ ĐỘNG 12
1.4.1 Các loai cửa tự động hiện nay 13
1.4.2 Một số cửa tự động sử dụng trên địa bàn Nha Trang 17
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 18
2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . 19
2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU . 19
2.2.1. thiết kế phần cơ khí . 19
2.2.2.Kết cấu mô hình . 22
2.2.3. Mạch điều khiển . 23
2.2.3.1 Khối cảm biến . 23
2.2.3.2 Khối cách li quang 25
2.2.3.3 Khối hiển thị . 27
2.2.3.4 Khối nguồn . 31
2.2.4. Phần mềm và giải thuật điều khiển 36
2.2.4.1. Giới thiệu PLC S7-300 . 37
2.2.4.2. Các thành phần cơ bản của một bộ PLC . 38
2.2.4.3 Cấu trúc phần cứng của hệ thống plc s7-300 . 40
2.2.5. lưu đồ và giải thuật điều khiển 44
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU . 46
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 56
4.1 KẾT LUẬN 57
4.2 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO 58
PHỤ LỤC . 59


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Cửa trượt 12
Hình 1.2: Cửa kéo 14
Hình 1.3: Cửa cuốn . 15
Hình 1.4: Cửa trượt 16
Hình 1.5: Cửa trượt 17
Hình 2.1: Mô hình 1 . 19
Hình 2.2: Mô hình 2 . 20
Hình 2.3: Mô hình 3 . 21
Hình 2.4: Khung mô hình . 22
Hình2.5: Kích thước cửa . 23
Hình 2.7: Quang trở 23
Hình 2.8: LED 24
Hình 2.9: LM324 24
Hình 2.10: sơ đồ chân LM324 25
Hình 2.11: Mạch cách ly quang 25
Hình 2.12: opto . 26
Hình2.13: Cấu tạo của opto 26
Hình 2.14: Khối hiển thị . 27
Hình 2.15: Led 7 doạn 27
Hình2.16: cấu trúc led 7 đoạn . 28
Hình 2.17: LED anot chung 28
Hình 2.18: LED cathode chung . 28
Hình 2.19: Sơ đồ chân 7447 . 29
Hình 2.20: Sơ đồ kết nối 7447 29
Hình 2.22: Sơ đồ mạch nguồn 31
Hình 2.23: Diode 31
Hình 2.24: Cấu tạo diode 31
Hình 2.25data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABAQMAAAAl21bKAAAAA1BMVEXh5PJm+yKVAAAAAXRSTlMAQObYZgAAAApJREFUCNdjYAAAAAIAAeIhvDMAAAAASUVORK5CYII=" class="mceSmilieSprite mceSmilie7" alt=":p" title="Stick Out Tongue :p">hân cực thuận và đường đặc tính của Diode. 32
Hình 2.26:Cấu tạo của tụ điện . 33
4
Hình2.27:Hình dáng của các loại tụ điện. . 33
Hình 2.28:Sơ đò chân của họ 78xx. 34
Hình 2.29:Hình dáng thực tế của role. 34
Hình 2.30:Hình dáng thực tế của công tắc hành trình 36
Hình 2.31[IMG]data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABAQMAAAAl21bKAAAAA1BMVEXh5PJm+yKVAAAAAXRSTlMAQObYZgAAAApJREFUCNdjYAAAAAIAAeIhvDMAAAAASUVORK5CYII=" class="mceSmilieSprite mceSmilie7" alt=":p" title="Stick Out Tongue :p">hần cứng s7-300 . 37
Hình 2.32:Bộ s7-300 38
Hình 2.33:Sơ đồ bố trí trạm plc s7-300 . 40
Hình 3.1: Mô hình tổng thể . 47
Hình 3.2: Ô tô . 47
Hình 3.3: Mạch điện tử 48
Hình 3.4: Bảng điều khiển 48
Hình 3.5: Cổng vào ra 49
Hình 3.6: Kiểm tra bằng tay 49
Hình 3.7: Kiểm tra tín hiệu cảm biến 50
Hình 3.8: Kiểm tra tín hiệu cảm biến 50
Hình 3.9: Bảng kết nối vào ra . 51
Hình 3.10: Tổng quan kết nối . 52
Hình 3.11: Xe vào cổng 52
Hình 3.12: Cảm biến hoạt động 53
Hình 3.13: Cảm biến xuyên qua thanh đục lỗ . 54
Hình 3.14: Xe vào cửa 54
Hình 3.15: Bảng hiển thị . 55
5
LỜI NÓI ĐẦU
----------- -----------
Trong công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, cơ khí nói chung
đóng một vai trò rất quan trọng. Nhưng ngày nay với sự phát triển vượt bậc của công
nghệ, cơ khí truyền thống không thể mang lại hiệu quả cao trong nền kinh thế thị
trường. Chính vì vậy xuất hiện một xu hướng mới trong công nghệ, đó là sự kết hợp
giữa cơ khí, công nghệ thông tin và điện tử để hình thành một lĩnh vực mới - Lĩnh vực
cơ khí tự động hóa. Trên thế giới, cơ khí tự động hóa đã xuất hiện khá lâu đời và phát
triển rất mạnh nhưng tại Việt Nam đây là lĩnh vực mới và đang trong quá trình hình
thành và phát triển. Tự động hóa là một lĩnh vực vô cùng rộng lớn,nó xâm nhập mọi
nơi,mọi lĩnh vực trong đời sống.Một trong những sản phẩm của Cơ điện tử - Tự động
hóa là hệ thống cựa nhà kho tư động kiểm soát sự ra vào của các loại hàng hóa.Nhiệm
vụ canh mở cửa nhà kho là một công việc tưởng chừng như đơn giản nhưng lại nhàm
chán,lãng phí thời gian mà chảng ai muốn làm. Bên cạnh đó nhu cầu và sự phát triển
của nhà kho sân bãi là rất nhiều. Nắm bắt được tầm quan trọng và tính cấp thiết của
hệ thống, em thực hiện nghiên cứu “Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống
cửa nhà kho tự động”
6
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ PLC S7_300 VÀ HỆ THỐNG
CỬA NHÀ KHO TỰ ĐỘNG
7
1.1.TỔNG QUAN VỀ PLC S7_300 VÀTỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller , là thiết bị điều khiển lập trình
được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông
qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình
tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác
động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện
được đếm.
Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên
ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong
chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ
ra tại các thời điểm đã lập trình.
Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối ( bộ điều khiển
bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau :
+ Lập trình dể dàng , ngôn ngữ lập trình dể học .
+ Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản , sửa chữa.
+ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những 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 môi
Modul mở rộng.
+ Giá cả cá thể cạnh tranh được.
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các Logic
thời gian .Tuy nhiên ,bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dể
dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả Chính điều này đã
gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp . Các tập lệnh
nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm , định thời , thanh ghi
dịch sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớùn Sự phát triển các máy
tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn , số lượng I / O nhiều hơn.
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều
khiển hoặc xử lý hệ thống. Chức năng mà bộ điều 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 viêïc điều khiểûn dựa vào chương 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 một sự can thiệp vật lý nào so với các bộ dây
nối hay Relay .
Cấu trúc , nguyên lý hoạt động
Cấu trúc
Tất cả các PLC đều có thành phần chính là : Một bộ nhớ chương trình RAM bên
trong ( có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM ). Một bộ vi xử lý có cổng
giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC . Các Modul vào /ra.
8
Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng tay
hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa
đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung . Nếu đơn vị lập trình là đơn vị
xách tay , RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã
được kiểm tra và sẳn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC . Đối với các
PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hổ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra
chương trình . Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458,
Nguyên lý hoạt động của PLC
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương
trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình
, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên
kết để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình
điều khiển được giữ trong bộ nhớ.
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu
song song :
+ Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau.
+ Data Bus : Bus dùng để truyền dữ liệu.
+ Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển
đồng bộ các hoạt động trong PLC .
Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông qua
Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền
8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song.
Nếu một modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus , nó sẽ chuyển tất
cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất
hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data bus.
Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của
PLC . Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian
hạn chế.
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O . Bên cạch
đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1¸8 MHZ. Xung này quyết định
tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống.
- Bộ nhớ
PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp : Làm bộ định thời cho các kênh
trạng thái I/O. Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm,
ghi các Relay.
Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong bộ
nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ . Địa chỉ của từng
ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý sẽ
giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo . Với một địa chỉ mới ,
nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đấu ra, quá trình này được gọi là quá
9
trình đọc .
Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bỡi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả
năng chứa 2000 - 16000 dòng lệnh , tùy theo loại vi mạch. Trong PLC các bộ nhớ như
RAM, EPROM đều được sử dụng .
+ RAM (Random Access Memory ) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ nội
dung bất kỳ lúc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất . Để
tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp
năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm. Trong thực tế RAM được
dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình. Khuynh hướng hiện nay dùng
CMOSRAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn .
+ EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người sử
dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được . Nội dung của
EPROM không bị mất khi mất nguồn , nó được gắn sẵn trong máy , đã được nhà sản
xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn. Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ
thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC . Trên PG (Programer) có sẵn chổ ghi
và xóa EPROM.
+ EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) liên kết với
những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định. Nội dung của nó có thể được
xóa và lập trình bằng điện, tuy nhiên số lần là có giới hạn.
Môi trường ghi dữ liệu thứ tư là đĩa cứng hoặc đĩa mềm, được sử dụng trong máy lập
trình . Đĩa cứng hoăïc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng để lưu
những chương trình lớn trong một thời gian dài .
Kích thước bộ nhớ :
+ Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 -1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo
+ Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K - 16K, có khả năng chứa từ 2000 -16000
dòng lệnh.
Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM , EPROM.
Các ngõ vào ra I / O
Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các modul ( các đầu vào của PL) ,
các cơ cấu chấp hành được nối với các modul ra ( các đầu ra của PLC ). Hầu hết các
PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V , tín hiêïu xử lý là 12/24VDC hoặc
100/240VAC. Mỗi đơn vị I / O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các
kênh I / O được cung cấp bỡi các đèn LED trên PLC , điều này làm cho việc kiểm tra
hoạt động nhập xuất trở nên dể dàng và đơn giản .
Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON,OFF) để thực hiện việc đóng hay
ngắt mạch ở đầu ra .
một số hình ảnh về loại PLC của SIEMENS và MISHUBISHI


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Các bộ cảm biến kỹ thuật và đo lường điều khiển Lê Văn Doanh
Phạm ThượngHàn
Tự động hóa với simantic S7-300 Dzoãn Minh Phước
Phan Xuân Minh