KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHA TRỘN
KHÁI QUÁT VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC
NLSH là loại nhiên liệu đƣợc hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động, thực vật (sinh học)
Ví dụ: Chất béo động thực vật: mỡ động vật, dầu dừa…
Ngũ cốc: lúa mì, đậu tương, ngô…
Chất thải nông nghiệp: rơm, rạ, phân…
Chất thải công nghiệp: mùn cƣa, gỗ, giấy vụn…
NLSH đƣợc chia thành: nhiên liệu lỏng ( diesel sinh học, xăng sinh học), khí sinh học, nhiên liệu sinh học rắn
Nguyên liệu này có lợi thế về tính thân thiện với môi trường và mức độ ô nhiễm thấp Tuy nhiên, việc ứng dụng nhiên liệu sinh học (NLSH) trong đời sống hiện nay vẫn gặp nhiều khó khăn, chủ yếu do giá thành sản xuất chưa thể cạnh tranh với nhiên liệu truyền thống.
Lợi ích của NLSH: Ít phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch
Tăng cường an ninh năng lượng
Giải quyết vấn đề khí hậu Đóng góp vào sự phát triển bền vững
Có sự tham gia của các doanh nghiệp vừa, nhỏ
Nguyên liệu để sản suất NLSH: nông sản, cây có dầu, chất thải dƣ thừa, mỡ cá, tảo
Phương pháp sử dụng nhiên liệu sinh học là cách hiệu quả nhất để nâng cao chất lượng nhiên liệu diesel Nhiên liệu sinh học được định nghĩa là bất kỳ loại nhiên liệu nào có nguồn gốc từ sinh vật, góp phần cải thiện hiệu suất và giảm tác động tiêu cực đến môi trường.
Có sáu loại nhiên liệu được sản xuất từ sinh khối, bao gồm bioethanol, biodiesel, biogas, nhiên liệu pha ethanol, dimethyleter sinh học và dầu thực vật Hiện nay, nhiên liệu sinh học chủ yếu được sử dụng trong giao thông vận tải là ethanol sinh học, diesel sinh học và xăng pha ethanol So với nhiên liệu dầu mỏ, nhiên liệu sinh học mang lại nhiều lợi ích về môi trường và bền vững hơn.
Bảng 1.1 : So sánh nhiên liệu sinh học với nhiên liệu dầu mỏ Nhiên liệu dầu mỏ Nhiên liệu sinh học
Sản xuất từ dầu mỏ Sản xuất từ nguyên liệu tái tạo thực vật Hàm lượng lưu huỳnh cao Hàm lượng lưu huỳnh cực thấp
Chứa hàm lƣợng chất thơm Không chứa hàm lƣợng chất thơm
Khó phân hủy sinh học Có khả năng phân hủy sinh học cao
Không chứa hàm lƣợng oxy Có 11% oxy Điểm chớp cháy cao Điểm chớp cháy cao
Việc phát triển nhiên liệu sinh học mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm đáng kể khí độc hại như SO2, CO, CO2 - khí nhà kính và các hydrocacbon, đồng thời giảm cặn buồng đốt Nhiên liệu sinh học cũng giúp mở rộng nguồn năng lượng, góp phần vào an ninh năng lượng và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu Hơn nữa, nó còn tạo ra lợi nhuận và việc làm cho người dân.
Dầu thực vật là nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm và nhiều lĩnh vực khác Nó không chỉ dễ tiêu hóa và cung cấp năng lượng cao, mà còn được sử dụng để sản xuất xà phòng và chất tẩy rửa Ngoài ra, dầu thực vật có tính khô, thích hợp cho việc sản xuất chất tạo màng sơn, véc ni và vật liệu chống thấm Trong ngành công nghiệp tổng hợp hữu cơ, dầu thực vật còn là nguyên liệu để tổng hợp chất hóa dẻo và các polyme mạch thẳng.
Hiện nay, ngành năng lượng toàn cầu đang chú trọng đến ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch Nhiều quốc gia đang tìm kiếm các nguồn năng lượng mới, trong đó dầu thực vật nổi bật như một nguyên liệu tiềm năng để sản xuất biodiesel, một loại năng lượng đang được nhiều nước quan tâm và phát triển.
Các nguyên liệu dầu thực vật chính để sản xuất biodiesel bao gồm dầu đậu nành, dầu sở, dầu bông, dầu cọ và dầu dừa Việc lựa chọn nguyên liệu để sản xuất biodiesel phụ thuộc vào điều kiện từng quốc gia, như nguồn nguyên liệu sẵn có, tình hình kinh tế và phương pháp sản xuất Chẳng hạn, ở Mỹ, biodiesel chủ yếu được sản xuất từ dầu đậu nành, trong khi ở Châu Âu, dầu hạt cải là nguyên liệu chính.
Việt Nam, với nền nông nghiệp phát triển, sở hữu nguồn nguyên liệu phong phú cho sản xuất biodiesel Trong khuôn khổ của đề án này, chúng tôi sẽ tập trung vào việc sử dụng dầu đậu nành, dầu bông và dầu sở, những loại dầu dễ dàng tìm thấy và có chi phí thấp.
1.1.2.1 Thành phần hoá học của dầu thực vật
Các loại dầu thực vật có thành phần hóa học đa dạng, nhưng chủ yếu bao gồm glyxerit, một este được hình thành từ axit béo có phân tử lượng cao và glyxerin, chiếm từ 95-97% trong cấu trúc Công thức cấu tạo chung của glyxerit là một yếu tố quan trọng trong việc xác định tính chất và ứng dụng của các loại dầu này.
R1, R2, R3 là các gốc hydrocacbua của axit béo, và khi chúng có cấu tạo giống nhau, được gọi là glyxerit đồng nhất; ngược lại, nếu khác nhau, gọi là glyxerit hỗn tạp Các gốc R này thường chứa từ 8 đến 22 nguyên tử cacbon Hầu hết các loại dầu thực vật đều có thành phần glyxerit hỗn tạp.
Thành phần khác nhau của dầu thực vật đó là các axit béo Các axit béo
Dầu thực vật chủ yếu chứa axit béo ở dạng kết hợp trong glyxerit, với một lượng nhỏ tồn tại ở trạng thái tự do Các glyxerit này có khả năng thủy phân để tạo ra axit béo thông qua phản ứng hóa học.
Axit béo được sinh ra từ dầu mỡ có thể chiếm tới 95% trọng lượng dầu mỡ ban đầu Về cấu trúc, axit béo là các axit cacboxylic mạch thẳng với khoảng 6-30 nguyên tử cacbon, và chúng có thể là axit no hoặc không no.
Có thể tham khảo thành phần % của các axit béo của các loại dầu thực vật khác nhau ở bảng 1.1
Bảng thành phần hóa học của các loại dầu thực vật:
Bảng 1.2: Các thành phần axit béo của các loại dầu thực vật
Dầu đậu nành 13.9 0.3 2.1 23.2 56.2 4.3 0 Dầu lạc 11.4 0 2.4 48.3 32.0 0.9 4.0
Glyxerin, một thành phần quan trọng trong dầu thực vật, tồn tại dưới dạng kết hợp trong glyxerit Là một rượu ba chức, glyxerin chiếm khoảng 8-12% trọng lượng dầu mỡ ban đầu.
Dầu thực vật không chỉ chứa các hợp chất chính mà còn có một lượng nhỏ các hợp chất khác như photphatit, sáp, nhựa, chất nhờn, chất màu, chất gây mùi, tiền tố và vitamin.
1.1.2.2 Tính chất lý học của dầu thực vật
Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc của dầu phụ thuộc vào thành phần hóa học của từng loại dầu, do đó chúng có thể khác nhau Các giá trị này không cố định mà thường nằm trong một khoảng nhất định.
CÁC DẠNG CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG PHA TRỘN…
1.2.1 Phương pháp pha trộn bằng bể
Phương pháp pha trộn bằng bể là một kỹ thuật pha trộn truyền thống, thường được áp dụng tại các nhà máy lọc dầu cổ điển hoặc những cơ sở có mức đầu tư thiết bị thấp.
Hệ thống hoạt động bằng cách bơm các cấu tử pha trộn từ bể chứa trung gian vào bể hòa trộn theo khối lượng đã được tính toán, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm Trong bể hòa trộn, các cấu tử được khuấy đều và kiểm tra chất lượng Nếu sản phẩm đạt yêu cầu, nó sẽ được chuyển đến bể chứa sản phẩm; nếu không, sẽ tiến hành hiệu chỉnh cho đến khi đạt tiêu chuẩn Trong trường hợp xấu nhất, sản phẩm không đạt chất lượng sẽ được bơm về bể chứa dầu thải để chế biến lại.
Phương pháp này có ưu điểm nhất định như:
Chất lượng sản phẩm trong bể chứa được kiểm tra thông qua thiết bị phân tích trực tuyến và phòng thí nghiệm, đảm bảo rằng sản phẩm cuối cùng hầu như luôn đạt yêu cầu Đầu tư cho thiết bị tự động hóa hiện tại vẫn ở mức thấp.
Phương pháp này có một số nhược điểm, bao gồm chi phí đầu tư cho thiết bị cơ khí cao như bể chứa, thiết bị khuấy trộn, đường ống và bơm Ngoài ra, quá trình pha trộn sản phẩm diễn ra theo mẻ, không liên tục, dẫn đến mức độ tự động hóa thấp.
1.2.2 Phương pháp pha trộn trực tiếp trong đường ống
Ngày nay, với sự tiến bộ trong lĩnh vực đo lường và điều khiển, đặc biệt là các thiết bị đo và phân tích trực tuyến, quá trình pha trộn sản phẩm đã được nâng cao về mức độ kiểm soát và điều khiển Điều này giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm pha trộn, đồng thời giảm chi phí đầu tư và vận hành Nhờ vào sự phát triển của thiết bị đo lường điều khiển, hầu hết các quá trình pha trộn hiện nay đều đạt hiệu quả cao hơn.
Trộn sản phẩm nhiên liệu lỏng trong công nghiệp được thực hiện trực tiếp trên đường ống, giúp chuyển thẳng sản phẩm ra bể chứa mà không cần sử dụng bể hòa trộn trung gian.
Phương pháp này cho phép bơm đồng thời tất cả các cấu tử vào đường ống, nơi có thiết bị trộn tĩnh giúp hòa trộn đều các thành phần Sản phẩm sau khi pha trộn sẽ được chuyển thẳng đến bể chứa mà không cần qua bể trung gian Để đảm bảo chất lượng, các đầu đo phân tích được lắp đặt trên từng dòng cấu tử, cung cấp dữ liệu cho hệ thống điều khiển Dựa vào tính chất của các dòng cấu tử, máy tính sẽ điều chỉnh tỷ lệ pha trộn và kiểm soát các van để thiết lập tỷ lệ dòng pha trộn Quá trình pha trộn hoàn toàn tự động, và nếu sản phẩm không đạt chất lượng, nó sẽ được chuyển về bể chứa dầu thải để xử lý lại.
Phương pháp này có cơ chế đơn giản, giúp giảm thiểu số lượng bể chứa pha trộn trung gian Tuy nhiên, để áp dụng hiệu quả, cần đầu tư hợp lý cho hệ thống tự động hóa.
Mặc dù có thể xảy ra trường hợp thiết bị đo không hoạt động chính xác, dẫn đến sản phẩm không đạt yêu cầu và tăng chi phí sản xuất, nhưng những tình huống này rất hiếm khi xảy ra.
1.2.3 Một số hệ thống pha trộn
Các hệ thống trong công nghệ sữa, thực phẩm, bia rượu và hóa chất được thiết kế để thực hiện công nghệ pha trộn, tích hợp các chức năng xử lý nhiệt độ, bơm và khuấy chế biến các thành phần dịch Hệ thống này bao gồm đầy đủ các thiết bị công nghệ, đo lường và điều khiển, với kích thước đa dạng phù hợp với công suất của từng dây chuyền thiết bị.
Hình 1.1: Bồn chứa – hệ thống pha trộn CIP
Hình 1.2: Bồn chứa tích hợp các chức năng xử lý nhiệt độ, bơm, khuấy, pha chế các thành phần dịch có độ nhớt cao
Hình 1.3: Bồn chứa khí kín
THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN CHO BÌNH CHỨA LỎNG TRONG CÔNG NGHỆ PHA TRỘN
Hình 1.4: Bình chứa lỏng Yêu cầu: ổn định mức chất lỏng trong bình chứa với dòng chảy vài có lưu lượng F 0 và dòng chảy ra có lưu lượng F
Bình chứa với chức năng cấp lỏng nên biến cần điều khiển là V, biến vào điều khiển là lưu lượng ra F, F0 được coi là nhiễu của hệ thống
Khối lƣợng riêng chất lỏng cấp vào trong bình và khối lƣợng riêng chất lỏng trong bình chứa là nhƣ nhau và là hằng số của quá trình ρ 0 = ρ= const
Lưu lượng ra F không phụ thuộc vào chiều cao cột áp h
1.3.2 Phương trình vi phân biểu diễn hệ thống
Theo định luật bảo toàn khối lƣợng toàn phần ta có:
1.3.3 Phân tích bậc tự do của hệ thống
Hệ thống có 3 biến quá trình là V, F, F0 và 1 phương trình vi phân, dẫn đến số bậc tự do của hệ thống là 2, bằng với số biến vào Điều này chứng tỏ rằng mô hình xây dựng là chính xác.
Hệ thống có 2 bậc tự do cho phép xây dựng 2 vòng điều khiển độc lập, nhưng chỉ cần 1 vòng điều khiển với biến V Trong trường hợp này, ta chọn F 0 làm biến điều khiển chính.
25 khiển còn F đƣợc coi là nhiễu
1.3.4 Tuyến tính hóa phương trình
Tại điểm làm việc ta coi mức chất lỏng trong bình không đổi, ta có phương trình:
Khi hệ thống đạt trạng thái cân bằng, không có sự xuất hiện của biến V, điều này cho thấy mức chất lỏng trong bình duy trì ổn định và không phụ thuộc vào điểm làm việc Với phương trình đã ở dạng tuyến tính, việc tuyến tính hóa thêm là không cần thiết.
1.3.5 Mô hình hàm truyền đạt
Lấy phươn trình (1) – (2) ta được :
F F dt dt đặt u = ∆F, y = ∆V, d = ∆F0 Ta có:
Phương trình hàm truyền đạt theo nhiễu và biến điều khiển là: G = G d 1/s
Hình 1.5: Sơ đồ hàm truyền hệ thống
Chúng tôi chọn bộ điều khiển mức PID với tín hiệu vào và ra là tín hiệu điện Sơ đồ bộ điều khiển PID được thiết lập như sau: Bộ điều khiển và chỉ thị mức LIC (Level Indicator Controller) nhận tín hiệu từ cảm biến mức.
LT ( Level Transmiter ) so sánh với giá trị đặt và đƣa ra tín hiệu điều khiển góc mở van để điều chỉnh mức nước trong bình chứa
Hình 1.6: Lưu đồ bộ điều khiển PID cho bình chứa lỏng
XÂY DỰNG CẤU TRÚC CHO GIẢI PHÁP PHA TRỘN
2.1 KHÁI QUÁT VỀ CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG PHA
Cảm biến nhiệt độ là thiết bị phổ biến, không chỉ dùng để đo nhiệt độ mà còn có khả năng đo các đại lượng không điện khác như tốc độ lưu chất và xác định nồng độ thành phần của khí.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ dựa trên quá trình nhiệt (đốt nóng, làm lạnh và trao đổi nhiệt) mà đại lƣợng đo là nhiệt độ
Khi nhiệt độ biến đổi, nó ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của vật thể, và những tính chất này được ứng dụng để chế tạo cảm biến nhiệt độ.
Quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất và khối lƣợng đối với chất khí đƣợc miêu tả bằng phương trình Va-dec-val:
V: là khối lƣợng; p: áp suất; t: nhiệt độ; R: hệ số tỉ lệ a1, b1: hằng số phụ thuộc vào tính chất của vật chất, không phụ thuộc vào trạng thái và điều kiện mà các chất đi qua
Trong thực tế khi đo nhiệt độ thường xảy ra với áp suất nhỏ và được miêu tả bằng phương trình Bento:
Rt a, b, R là thông số đặc trƣng cho chất đo nhiệt độ ( chất khí, rắn, lỏng,…)
2.1.2 Thiết bị đo lưu lượng
Hình 2.1: Phân bố áp suất của dòng chảy có thiết bị thu hẹp
Một phương pháp phổ biến để đo lưu lượng chất lỏng, khí và hơi là sử dụng ống thu hẹp để thay đổi độ giảm áp suất.
Khi dòng chảy đi qua một ống dẫn có thiết bị thu hẹp, tốc độ dòng chảy sau lỗ thu hẹp tăng lên, dẫn đến áp suất giảm ở phía sau thiết bị Sự chênh lệch áp suất giữa hai bên thiết bị thu hẹp phụ thuộc vào tốc độ dòng chất lưu, và lưu lượng qua thiết bị thu hẹp tỉ lệ thuận với độ chênh áp suất.
Hình 2.1a là sơ đồ của dòng chảy lý tưởng với biểu đồ phân bổ áp suất (hình 2.1b) và tốc độ dòng chảy (hình 2.1c)
Nếu P1 là áp suất tại thành ống phía trước khu vực thu hẹp và P2 là áp suất sau thiết bị thu hẹp, thì có mối quan hệ giữa lưu lượng khối G và lưu lượng Q của dòng chảy.
29 hảy được biếu diễn như sau (công thức 14-9 và 14-10 giáo trình đo lường điện và cảm biến đo lường):
Để đo độ chênh áp, có thể sử dụng các cảm biến thông thường như cảm biến áp trở, biến áp vi sai và cảm biến điện dung Việc kết hợp với các thiết bị trung gian như màng đàn hồi, thanh dẫn và ống xi phông sẽ giúp quá trình đo áp suất trở nên hiệu quả hơn Các yếu tố như hệ số α, đường kính lỗ thu hẹp d và mật độ dòng chảy ρ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ chênh áp.
Hình 2.2 là sơ đồ dùng cảm biến biến áp đo lưu lượng bằng phương pháp chênh áp
Hình 2.2: Sơ đồ đo lưu lượng bằng phương pháp chênh áp
3, 4: Cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp
Áp suất P1 và P2 được đưa vào hai phía của màng đàn hồi qua ống dẫn Cảm biến có lõi thép di chuyển gắn với màng, khi không có dòng chảy, áp suất P1 bằng P2 khiến màng đứng yên và tín hiệu ra bằng không Khi dòng chảy xuất hiện, áp suất P1 tăng và P2 giảm, tạo ra độ chênh lệch áp suất ∆P = P1 - P2, làm cho màng di chuyển và kéo theo lõi thép của biến áp vi sai Sự di chuyển này làm tăng sức điện động đầu ra của cảm biến, tỷ lệ với độ chênh lệch áp suất, từ đó cho phép xác định lưu lượng dòng chảy.
Cảm biến đo độ chênh lệch áp suất hoạt động dựa trên áp trở, với màng đàn hồi gắn bốn áp trở silicon màng mỏng được kết nối thành mạch cầu Khi màng biến dạng, điện trở của các áp trở thay đổi, tạo ra tín hiệu đầu ra tỷ lệ với lưu lượng cần đo.
Mức là chiều cao của chất lỏng hoặc hạt trong các thiết bị công nghệ, là tham số quan trọng để kiểm tra chế độ làm việc và điều khiển quy trình sản xuất Cảm biến mức giúp đánh giá khối lượng chất lỏng trong bồn chứa như xăng, dầu Đơn vị đo mức là đơn vị đo chiều dài, và việc đo mức có thể thực hiện liên tục hoặc theo ngưỡng Đo liên tục cung cấp tín hiệu về thể tích chất lỏng còn lại trong bồn chứa.
Cảm biến đo theo ngưỡng cung cấp tín hiệu nhị phân nhằm xác định xem mức chất lỏng có đạt yêu cầu hay không, từ đó điều khiển hiệu quả quá trình hoạt động của bồn chứa.
XÂY DỰNG CẤU TRÚC CHUNG CHO HỆ THỐNG PHA TRỘN… 36 1 Sơ đồ hệ thống pha trộn
Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống pha trộn dầu thực vật và dầu DO
Hệ thống cơ bản đƣợc lắp đặt trên 5 khối sau:
Hệ thống đường ống bao gồm các thành phần chính như đường dẫn dầu DO và dầu thực vật vào thùng khuấy trộn, đường dẫn nhiên liệu hỗn hợp từ thùng khuấy trộn đến nồi hơi, cũng như các đường trộn lại dầu thực vật và nhiên liệu hỗn hợp.
Két chứa nhiên liệu hỗn hợp
Bao gồm các cảm biến:
Lắp đặt hệ thống bơm gồm 3 bơm li tâm Động cơ khuấy và biến tần
Lắp đặt hệ thống sau:
Các thiết bị phụ trợ
Các van phục vụ trong các quá trình bơm nhiên liệu
2.3 XÂY DỰNG MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Ra 1 Ra 2 Ra 3 Ra 4 Ra 5 Ra 6 Ra 7 start stop
XÂY DỰNG MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN…
Ra 1 Ra 3 Ra 2 Ra 4 Ra 5 Ra 6 Ra 7 Ð MC 2 MC 1 MC 4 MC 3
Các kí hiệu trong sơ đồ:
MC 1 , MC 2 , MC 3 , MC 4 1 , B 2 , B 3 và động cơ khuấy trộn Đ
2.3.3 Sơ đồ bố trí thiết bị
2.3.4 Bảng tín hiệu vào, ra
Bảng 2.1: Tín hiệu đầu vào Tên Chức năng
I0.1 Start: bắt đầu hoạt động hệ thống I0.2 Stop: dừng hệ thống để kiểm tra I0.3 Mức nước E3
I0.4 Mức nước E4 I0.5 Mức nước E5 I0.6 Mức nước E1 I0.7 Mức nước E2 I1.0 Mức nước E6 I1.1 Mức nước E7
Bảng 2.2: Tín hiệu đầu ra Tên Chức năng
Q0.0 Cấp điện cho van 14, van 16 Q0.1 Cấp điện cho bơm 15
Q0.2 Cấp điện cho van 10, van 7 Q0.3 Cấp điện cho bơm 8
Q0.4 Cấp điện cho động cơ khuấy Đ Q0.5 Cấp điện cho van 19
DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
TỔNG QUAN VỀ PLC-S7200
3.1.1 Giới thiệu về PLC (Bộ điều khiển logic khả trình)
Hình thành từ nhóm các kỹ sƣ hãng General Motors năm 1968 với ý tưởng ban đầu là thiết kế một bộ điều khiển thoả 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
Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC - Programmable Logic Control) là một thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình, thay vì sử dụng mạch số để biểu diễn các thuật toán đó.
Tương đương một mạch số
PLC là bộ điều khiển số nhỏ gọn với khả năng thay đổi thuật toán linh hoạt, cho phép dễ dàng giao tiếp thông tin với môi trường xung quanh, bao gồm các PLC khác và máy tính.
Bộ nhớ PLC lưu trữ 44 điều khiển dưới dạng các khối chương trình như OB, FC hoặc FB, và thực hiện chúng theo chu kỳ trong vòng quét.
Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) hoạt động như một máy tính, bao gồm bộ vi xử lý (CPU), hệ điều hành và bộ nhớ để lưu trữ chương trình điều khiển và dữ liệu PLC cũng cần các cổng vào/ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và môi trường xung quanh Để thực hiện các bài toán điều khiển số, PLC còn yêu cầu các khối chức năng đặc biệt như bộ đếm (Counter), bộ định thì (Timer) và các khối hàm chuyên dụng khác.
Hình 3.2: Hệ thống điều khiển sử dụng PLC
Hình 3.3: Hệ thống điều khiển dùng PLC
PLC đƣợc phân loại theo 2 cách:
- Hãng sản xuất: Gồm các nhãn hiệu nhƣ Siemen, Omron, Misubishi, Alenbrratly
Ví dụ: PLC Siemen có các họ: S7-200, S7-300, S7-400, Logo
PLC Misubishi có các họ: Fx, Fxo, Fxon
3.1.3 Các bộ điều khiển và phạm vi ứng dụng
Ta có các bộ điều khiển: Vi xử lý, PLC và máy tính
3.1.3.2 Phạm vi ứng dụng a Máy tính
- Dùng trong những chương trình phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao
- Có giao diện thân thiện
- Tốc độ xử lý cao
- Có thể lưu trữ với dung lượng lớn b Vi xử lý
- Dùng trong những chương trình có độ phức tạp không cao (vì chỉ xử lý 8 bit)
- Giao diện không thân thiện với người sử dụng
- Tốc độ tính toán không cao
- Không lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng rất ít c PLC
- Độ phức tạp và tốc độ xử lý không cao
- Giao diện không thân thiện với người sử dụng
- Không lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng rất ít
- Môi trường làm việc khắc nghiệt
3.1.4 Các lĩnh vực ứng dụng PLC
PLC đƣợc sử dụng khá rộng rãi trong các ngành: Công nghiệp, máy công nghiệp, thiết bị y tế, ôtô (xe hơi, cần cẩu)
3.1.5 Các ƣu điểm khi sử dụng hệ thống điều khiển với PLC
- Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic nhƣ kiểu dùng rơ le
- Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, khi chỉ cần thay đổi chương trình (phần mềm) điều khiển
- Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống
- Nhiều chức năng điều khiển
- Công suất tiêu thụ nhỏ
- Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt
- Có khả năng mở rộng số lƣợng đầu vào/ra khi nối thêm các khối vào/ra chức năng
- Tạo khả năng mở ra các lĩnh vực áp dụng mới
PLC được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển tự động nhờ vào những ưu điểm vượt trội, giúp nâng cao năng suất sản xuất, chất lượng và sự đồng nhất của sản phẩm Việc áp dụng PLC không chỉ tăng hiệu suất và giảm năng lượng tiêu thụ mà còn cải thiện mức độ an toàn, tiện nghi và thoải mái trong lao động Hơn nữa, nó còn giúp nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường.
3.1.6 Giới thiệu các ngôn ngữ lập trình
Các loại PLC thường hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình để phục vụ nhu cầu của các đối tượng sử dụng khác nhau PLC S7-300 cung cấp 5 ngôn ngữ lập trình cơ bản.
- Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu là LAD (Ladder logic) Đây là ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch logic
Ngôn ngữ "liệt kê lệnh" (STL - Statement List) là một dạng ngôn ngữ lập trình thông dụng cho máy tính, trong đó một chương trình được cấu thành từ nhiều câu lệnh theo một thuật toán cụ thể Mỗi câu lệnh chiếm một dòng và có cấu trúc chung là "tên lệnh" cộng với "toán hạng".
Ngôn ngữ "hình khối", được ký hiệu là FBD (Function Block Diagram), là một ngôn ngữ đồ họa lý tưởng cho những ai có kinh nghiệm trong việc thiết kế mạch điều khiển số.
Ngôn ngữ GRAPH là một ngôn ngữ lập trình đồ họa cấp cao, nổi bật với cấu trúc chương trình rõ ràng và ngắn gọn Ngôn ngữ này rất phù hợp cho các chuyên gia trong ngành cơ khí, đặc biệt là những người đã quen thuộc với giản đồ Grafcet trong lĩnh vực khí nén.
Hình 3.4: Ngôn ngữ lập trình GRAPH
Hình 3.5: Ngôn ngữ lập trình High GRAPH
3.1.7 Cấu trúc phần cứng họ PLC S7-200
3.1.7.1 Các tính năng của PLC S7-200
- Hệ thống điều khiển kiểu Module nhỏ gọn cho các ứng dụng trong phạm vi hẹp
- Có nhiều Module mở rộng
- Có thể mở rộng đến 7 Module
- Bus nối tích hợp trong 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 với nhiều chức năng tích hợp
3.1.7.2 Các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật họ S7-200
PLC Simentic S7-200 có các thông số kỹ thuật sau: Đặc trƣng cơ bản của các khối vi xử lý CPU212 và CPU214 đƣợc giới thiệu trong bảng:
3.1: Đặc trƣng cơ bản của các khối vi xử lý CPU212 và CPU214
Hình 3.7: Cấu trúc các đầu đấu nối của CPU 214
* Tích hợp CPU, I/O nguồn cung cấp vào một Module, có nhiều loại CPU: CPU212, CPU 214, CPU 215, CPU 216 Hình dáng CPU 214 thông dụng nhất đƣợc mô tả trên (hình 3.6)
* Các Module mở rộng (EM) (Etrnal Modules)
- Module ngõ vào Digital: 24V DC, 120/230V AC
- Module ngõ ra Digital: 24V DC, ngắt điện từ
- Module ngõ vào Analog: áp dòng, điện trở, cấp nhiệt
- Module ngõ ra Analog: áp, dòng
Hình 3.8: Các module đƣợc tích hợp trong CPU 214
* Module liên lạc xử lý (CP) (Communiation Processor)
Module CP242-2 có thể dùng để nối S7-200 làm chủ Module giao tiếp
AS Kết quả là, có đến 248 phần tử nhị phân đƣợc điều khiển bằng 31 Module giao tiếp AS Gia tăng đáng kể số ngõ vào và ngõ ra của S7-200
Bus nối dữ liệu (Bus connector)
* Các đèn báo trên CPU
Các đèn báo trên mặt PLC cho phép xác định trạng thái làm việc hiện hành của PLC:
SF (đèn đỏ): Khi sáng sẽ thông báo hệ thống PLC bị hỏng
RUN (đèn xanh): Khi sáng sẽ thông báo PLC đang làm việc và thực hiện chương trình được nạp vào máy
STOP (đèn vàng): Khi sáng thông báo PLC đang ở chế độ dừng Dừng chương trình đang thực hiện lại
Ix.x (đèn xanh): Thông báo trạng thái tức thời của cộng PLC: Ix.x (x.x 0.0 - 1.5) đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng
Qy.y (đèn xanh): Thông báo trạng thái tức thời của cổng ra PLC: Qy.y(y.y=0.0 - 1.1) đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng
* Công tắc chọn chế độ làm việc của CPU:
Công tắc này có 3 vị trí: RUN - TERM - STOP, cho phép xác lập chế độ làm việc của PLC
Chế độ RUN cho phép LPC hoạt động theo chương trình đã được lưu trữ trong bộ nhớ Khi PLC đang ở chế độ RUN, nếu xảy ra sự cố hoặc nhận lệnh STOP, PLC sẽ chuyển sang chế độ STOP.
Cưỡng bức CPU dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ STOP, cho phép người dùng hiệu chỉnh hoặc nạp chương trình mới vào PLC.
- TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ làm việc của CPU hoặc ở chế độ RUN hoặc STOP
3.1.7.4 Giới thiệu cấu tạo phần cứng các KIT thí nghiệm S7-200
- Hệ thống bao gồm các thiết bị:
1 Bộ điều khiển PLC- Station 1200 chứa:
- CPu-214: AC Power Supply, 24VDC Input, 24VDC Output
- Digital Input / Output EM 223: 4x DC24V Input, 4x Relay Output
- Analog Input/ Output EM 235: 3 Analog Input, 1 Analog Output 12 bit
9 Các dây nối với chốt cắm 2 đầu
- Mô tả hoạt động của hệ thống:
1 Các lối vào và lối ra CPU cũng nhƣ của các khối Analog và Digital đƣợc nối ra các chốt cắm
2 Các khối PLC STATION - 1200, ĐV - 804 và PS - 800 sử dụng nguồn 220VAC
3 Khối RELAY - 16 dùng các RELAY 24VDC
4 Khối đèn LL - 16 dùng các đèn 24V
5 Khối AM - 1 dùng các biển trở 10 kilô ôm
Sử dụng dây nối có chốt cắm 2 đầu, tùy thuộc vào từng bài toán cụ thể, để kết nối các lối vào/ra của CPU 214, khối Analog Em235, khối Digital Em222 cùng với đèn, contact, Relay, biến trở, và khối chỉ thị DCV, từ đó có thể bố trí một cách hợp lý.
54 rất nhiều bài thực tập để làm quen với cách hoạt động của một hệ thống PLC, cũng nhƣ các lập trình cho một hệ PLC
Hình 3.9: Cấu hình vào ra của S7-200 CPU224 AC/DC/Relay
3.1.8 Ngôn ngữ lập trình STEP7
Cấu hình phần cứng Để cài đặt STEP7 yêu cầu tối thiểu cấu hình nhƣ sau:
- 80486 hay cao hơn, đề nghị Pentium
- Đĩa cứng trống: Tối thiểu 300MB
- Ram: > 32MB, đề nghị 64MB
- Giao tiếp: CP5611, MPI card hay tiếp hợp PC để lập trình với mạch nhớ
- Hệ điều hành: Windows 95/98/NT
Tại Việt Nam, có nhiều phiên bản của bộ phần mềm STEP7, trong đó phiên bản 4.2 và 5.0 được sử dụng phổ biến nhất Phiên bản 4.2 phù hợp với các PC có cấu hình trung bình nhưng yêu cầu phải có bản quyền, trong khi phiên bản 5.0 yêu cầu cấu hình PC mạnh hơn và có thể chạy ở chế độ không cài bản quyền với một số hạn chế.
Hầu hết các đĩa gốc của STEP7 đều hỗ trợ chức năng tự động cài đặt (autorun), vì vậy người dùng chỉ cần cho đĩa vào và làm theo hướng dẫn để hoàn tất quá trình cài đặt.
Cài đặt STEP7 có thể được thực hiện một cách chủ động bằng cách gọi chương trình setup.exe có trên đĩa Quy trình cài đặt STEP7 tương tự như cài đặt các phần mềm ứng dụng khác như Windows hay Office.
Tuy nhiên, so với các phần mềm khác thì việc cài đặt STEP7 sẽ có vài điểm khác biệt cần đƣợc giải thích rõ thêm
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
Dựa vào bảng tin hiệu đầu ra, vào 2.1 và 2.2 ta có lưu đồ thuật toán điều khiển:
Chay B8; mo van 7,10 Dung B15; dong van 14, 16
Dung B8; dong van 7,10; chay Ð cho 1p S Ð
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Sau một thời gian ngắn nỗ lực thực hiện đề tài tốt nghiệp, nhờ sự hỗ trợ nhiệt tình từ thầy cô và bạn bè, em đã hoàn thành đề tài của mình Trong quá trình thực hiện, em đã tìm hiểu và đáp ứng được các yêu cầu đã đề ra.
Tuy nhiên do thời gian có hạn cũng nhƣ trình độ của bản thân còn nhiều hạn chế nên đề tài thực hiện còn nhiều thiếu sót nhƣ:
Em rất mong nhận được sự hướng dẫn và góp ý từ các thầy cô giáo cùng các bạn trong lớp để em có thể hoàn thiện và thực hiện đề tài một cách tốt nhất.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô trong khoa và các bạn bè trong lớp đã tận tình chỉ bảo và hỗ trợ em trong quá trình thực hiện đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hải phòng, ngày…tháng…năm 2012
