Hệ thống điều khiển và giám sát trạm trộn bê tông

M CL C
M Đ U ......................................................................................................... 3
Chương 1: Tổng quan về bê tông và trạm trộn bê tông................................... 4
1. Tổng quan về bê tông. .......................................................................... 4
1.1. Khái niệm bê tông. ........................................................................ 4
1.2. Thành ph n c u tạo bê tông. .......................................................... 4
1.3. Các đặc tính c a bê tơng................................................................ 5
2. Trạm trộn bê tông. ................................................................................ 7
2.1. Giới thiệu chung. ........................................................................... 7
2.2. Quy trình cơng nghệ. ..................................................................... 8
2.3. Phát biểu bài toán điều khiển trạm trộn....................................... 10
Chương 2: Giới thiệu PLC S7-300 và các thiết bị liên quan......................... 11
1. Giới thiệu về PLC S7-300 c a Siemens. ............................................ 11
1.1. PLC là gì? .................................................................................... 11
1.2. C u trúc, nguyên lý hoạt động c a PLC...................................... 11
1.3.

ng d ng c a PLC. ..................................................................... 12

1.4. Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7-300 c a Siemens. ... 13
1.5. Vịng qt chương trình. .............................................................. 17
1.6. C u trúc chương trình c a S7-300............................................... 19
1.7. Các lệnh sử d ng trong chương trình. ......................................... 21
2. Các thiết bị liên quan. ......................................................................... 24
2.1. Module Analog c a Siemens. ...................................................... 24
2.2. Đ u đọc tín hiệu cân PAXS và PAXI. ........................................ 25
2.3. Thiết bị khí nén. ........................................................................... 27
2.4. Cảm biến. ..................................................................................... 29
2.5. Một số thiết bị khác. .................................................................... 32
Chương 3: Giới thiệu về ph m mềm thiết kế WINCC .................................. 35
1

1. Tổng quan vè ph n mềm thiết kế WinCC. ......................................... 35
1.1. Giới thiệu chung. ......................................................................... 35
1.2. Các đặc điểm chính. .................................................................... 36
1.3. Các c u hình hệ thống cơ bản: .................................................... 37
2. Các bước lập trình trên Wincc. ........................................................... 38
2.1. Kh i tạo một dự án: ..................................................................... 38
2.2. Truyền Thông Trong Môi Trư ng WinCC: ................................ 39
Chương 4: Tổng h p hệ thống tự động hóa bằng PLC s7-300 ..................... 44
1. Lưu đồ chương trình. .......................................................................... 44
2. Viết chương trình điều khiển trên Step 7. .......................................... 46
2.1. Phân cổng vào/ra: ........................................................................ 46
3. Giao diện ngư i máy. ......................................................................... 47
3.1. Nhiệm v c a HMI. ..................................................................... 47
3.2. Thiết kế HMI bằng WinCC. ........................................................ 47
Kết luận.......................................................................................................... 50

2


M

Đ U

Ngày nay cùng với sự tiến bộ c a khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành Kỹ
thuật Điện tử, đ i sống xã hội ngày càng phát triển hơn dựa trên những ng d ng
c a khoa học vào đ i sống. Vì vậy mà những cơng nghệ điện tử mang tính tự động
hóa ngày càng đư c ng d ng rộng rãi, nh t là trong công nghiệp sản xu t, xây
dựng. Cùng với nhịp độ phát triển c a đ t nước trên các mặt kinh tế - xã hội, hạ

t ng cơ s c a nền kinh tế nước ta không ngừng đư c cũng cố và phát triển. Do đó
yêu c u về ch t lư ng bê tơng c a các cơng trình phải đư c đặt lên hàng đ u.
Từ yêu c u thực tế y, chúng em đã chọn đề tài :”Điều khiển trạm trộn bê tông
công su t nhỏ sử d ng bộ điều khiển khả trình PLC”. M c đích chính c a đề tài là
thiết kế đư c một chương trình điều khiển sử dung PLC cho trạm trộn bê tơng với
tính tự động hóa và độ chính xác cao.
Mặc dù cố ǵng nhưng do còn thiếu kinh nghiệm nên trong bài viết khó tránh
khỏi sai sót, chúng em r t mong đư c sự hướng d̃n ch̉ bảo thêm c a th y cô!
Em xin cảm ơn sự giúp đ̃ c a GS. TS. Phan Xuân Minh đã giúp chúng em
hoàn thành đồ án này!

3


CH

NG 1: T NG QUAN V BÊ TÔNG VÀ TR M
TR N BÊ TƠNG

1. T ng quan v bê tơng.
1.1. Khái ni m bê tông.
Bê tông (gốc từ béton trong tiếng Pháp) là một loại đá nhân tạo, đư c hình
thành b i việc trộn các thành ph n: Cốt liệu thơ, cốt liệu mịn, ch t kết dính,... theo
một tỷ lệ nh t định (đư c gọi là c p phối bê tơng).
Trong bê tơng, ch t kết dính (xi măng + nước, nhựa đư ng, ph gia...) làm vai
trị liên kết các cốt liệu thơ (đá, sỏi,...đơi khi sử d ng vật liệu tổng h p trong bê tông
nhẹ) và cốt liệu mịn (thư ng là cát, đá mạt, đá xay,...) và khi đóng ŕn, làm cho t t
cả thành một khối c ng như đá.
1.2. ThƠnh ph n c u t o bê tông.
a) Xi măng:

Xi măng là thành ph n đặc biệt quan trọng c a bê tơng. Xi măng có nhiều loại
khác nhau, xi măng mác càng cao thì khả năng kết dính càng tốt và làm ch t lư ng
thiết kế bê tông tăng lên. Tuy nhiên giá thành c a xi măng mác cao là r t lớn. Vì
vậy khi lựa chọn loại xi măng, ta vừa phải đảm bảo ch t đúng yêu c u kĩ thuật, vừa
phải giải quyết tốt bài toán kinh tế.
b) Cát:
Cát dùng trong sản xu t bê tơng có thể là cát thiên nhiên hay cát nhân tạo, kích
thước hạt cát là từ 0.4 - 5 mm. Ch t lư ng cát ph thuộc vào thành ph n khoáng,
thành ph n tạp ch t, thành ph n hạtầ Trong thành ph n c a bê tông cát chiếm
khoảng 29%.
c) Đá dăm:
Đá dăm có nhiều loại tùy thuộc vào kích c̃ c a đá, do đó tùy thuộc vào kích
c̃ c a bê tơng mà ta chọn kích thước đá sao cho phù h p. Trong thành ph n bê
tông đá dăm chiếm khoảng 52%.
d) Nước:
Nước là thành ph n quan trong không thể thiếu trong sản xu t bê tông. Nước
dùng trong sản xu t bê tông phải đáp ng đ tiêu chuẩn để không ảnh hư ng x u
đến khả năng ninh kết c a bê tơng và chống ăn mịn kim loại.
4


e) Chất phụ gia:
Ph gia sử d ng thư ng có dạng bột, đư c chia ra 2 loại:
- Loại ph gia hoạt động bề mặt: Đư c sử d ng một lư ng nhỏ nhưng có khả
năng cải thiện đáng kể tính ch t c a hỗn h p bê tơng và tăng cư ng nhiều
tính ch t khác c a bê tơng.
- Loại ph gia ŕn nhanh: Có khả năng rút nǵn quá trình ŕn ch́c c a bê
tông trong điều kiện tự nhiên cũng như nâng cao cư ng độ bê tông.
Hiện nay trong công nghệ sản xu t bê tơng ngư i ta cịn sử d ng ph gia đa
ch c năng.

1.3. Các đặc tính c a bê tông.
a) Độ cứng của bê tông:
Độ c ng c a bê tông là khả năng chống lại các lực tác động từ bên ngồi mà
khơng bị phá hoại, nó phản ánh khả năng chịu lực c a bê tông. Độ c ng c a bê tông
ph thuộc vào tính ch t c a xi măng, tỷ lệ nước và xi măng, phương pháp đổ bê
tông và điều kiện đông c ng.
Để đặc trưng cho độ c ng c a bê tông ngư i ta dùng “mác bê tông”. Mác c a
một loại bê tông (ký hiệu M) là cư ng độ chịu lực nén (tính theo N/cm2) c a m̃u
bê tơng hình lập phương cạnh 15cm, tuổi 28 ngày đư c dững hộ và thí nghiệm
theo điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 20oC ± 2oC), độ ẩm không khí 90% đến 100%.
Mác M là ch̉ tiêu cơ bản nh t đối với mọi loại bê tông và mọi kết c u.
Tiêu chuẩn nhà nước quy định bê tông có các mác thiết kế sau:
- Bê tơng nặng: M100, M150, M200, M250, M300, M350, M400, M500,
M600. Bê tông nặng có khối lư ng riêng khoảng 1800 - 2500kg/m3 cốt liệu
sỏi đá đặc ch́c.
- Bê tông nhẹ: M50, M75, M100, M150, M200, M250, M300. Bê tơng nhẹ
có khối lư ng riêng trong khoảng 800 -1800kg/m3, cốt liệu là các loại đá
có lỗ rỗng, keramzit, x̉ quặng,...
Trong kết c u bê tông cốt thép chịu lực phải dùng mác không th p hơn M150.
Độ c ng c a bê tông tăng theo th i gian, đây là một tính ch t đáng q c a bê
tơng, đảm bảo cho cơng trình làm bằng bê tơng bền lâu hơn những cơng trình làm
bằng gạch, đá, gỗ, thép. Lúc đ u độ c ng bê tơng tăng lên r t nhanh, sau đó tốc độ
giảm d n. Trong môi trư ng (nhiệt độ, độ ẩm) thuận l i sự tăng độ c ng có thể kéo
5


dài trong nhiều năm, trong điều kiện khô hanh hoặc nhiệt độ th p thì độ c ng bê
tơng tăng không đáng kể.
b) Độ giãn nở của bê tông:
Trong quá trình ŕn ch́c, bê tơng thư ng phát sinh biến dạng thể tích, n ra

trong nước và co lại trong khơng khí. Về giá trị tuyệt đối độ co lớn hơn độ n 10
l n một giới hạn nào đó, độ n có thể làm tốt hơn c u trúc c a bê tơng cịn hiện
tư ng co ngót ln kéo theo hậu quả x u.
Bê tơng bị co ngót do nhiều nguyên nhân: trước hết là sự m t nước hoặc xi
măng, q trình Cacbon hố Hyđroxit trong đá xi măng. Hiện tư ng giảm thể tích
tuyệt đối c a hệ xi măng - nước. Co ngót là nguyên nhân gây ra n t, giảm cư ng
độ, chống th m và để ổn định c a bê tông, và bê tơng cốt thép trong mơi trư ng
xâm thực. Vì vậy đối với những cơng trình có chiều dài lớn, để tránh n t ngư i ta
đã phân đoạn để tạo thành các khe co dãn.
c) Tính chống thấm của bê tơng:
Tính chống th m c a bê tơng đặc trưng b i độ thẩm th u c a nước qua kết c u
bê tông. Độ chặt c a bê tơng ảnh hư ng quyết định đến tính chống th m c a nó.
Để tăng cư ng tính chống th m phải nâng cao độ chặt c a bê tông bằng cách
đ m kỹ, lựa chọn tốt thành ph n c p phối hạt c a cốt liệu, giảm tỷ lệ nước, xi măng
vị trí số tối thiểu. Ngồi ra để tăng tính chống th m ngư i ta cịn trộn bê tơng một
số ch t ph gia.
d) Q trình đông cứng của bê tông và biện pháp bảo quản:
Quá trình đơng c ng c a bê tơng ph thuộc vào q trình đơng c ng c a xi
măng th i gian đông kết b́t đ u không sớm hơn 45 phút. Vì vậy sau khi trộn bê
tơng xong c n phải đổ ngay để tranh hiện tư ng vữa xi măng bị đông c ng trước
khi đổ th i gian từ lúc bê tông ra khỏi máy trộn đến lúc đổ xong một lớp bê tơng
(khơng có tính ph gia) không quá 90' khi dùng xi măng pooclăng không quá 110',
khi dùng xi măng pooclăng x̉, tro núi lửa, xi măng pulơlan. Th i gian vận chuyển
bê tông (kể từ lúc đổ bê tông ra khỏi máy trộn) đến lúc đổ vào khuôn và không nên
lâu quá làm cho vữa bê tông bị phân t ng.

6


Nhiệt độ ( 0C )

Th i gian vận chuyển ( phút )

20 đến 30

45

10 đến 20

60

5 đến 10

90

Bảng thời gian vận chuyển cho phép của bê tơng (khơng có phụ gia)

2. Tr m tr n bê tông.

Trạm trộn bê tông công suất nhỏ

2.1. Gi i thi u chung.
Hiện nay trên thị trư ng có 2 loại trạm trộn bê tơng thư ng gặp: trạm trộn bê
tơng nhựa nóng và trạm trộn bê tông xi măng.
- Trạm trộn bê tông nhựa nóng: Dùng để sản xu t bê tơng từ hỗn h p nhựa
đư ng (h́c ín), đá, ch t ph giaầ, nó đư c ng d ng phổ biến trong xây
dựng đư ng xá, các cơng trình giao thơng, c u, cảng,ầ đư c rải lên bề
mặt.
- Trạm trộn bê tông xi măng: ng d ng rộng rãi trong đ i sống hiện nay
nh t là trong lĩnh vực xây dựng. Bê tông đư c sản xu t từ hỗn h p cát, đá,

xi măng, nước, ph gia.
7


2.2. Quy trình cơng ngh .
a) u cầu chung:
Trạm trộn bê tông xi măng là một tổng thành nhiều c m và thiết bị, các c m
thiết bị này phải phối h p nhịp nhàng với nhau để hoà trộn các thành ph n: cát, đá,
nước, ph gia và xi măng tạo thành hỗn h p bê tông xi măng. Một trạm trộn bê tơng
có các u c u chung sau đây:
- Đảm bảo trộn và cung c p đư c nhiều mác bê tông với th i gian điều ch̉nh
nhỏ nh t.
- Cho phép sản xu t đư c sản xu t đư c hai loại hỗn h p bê tông khô hoặc
ướt.
- Hỗn h p bê tông không bị tách nước hay bị phân t ng khi vận chuyển.
- Trạm làm việc êm không ồn, không gây ô nhiểm môi trư ng.
- Ĺp dựng, sửa chữa đơn giản.
- Có thể làm việc

hai chế độ là tự động hoặc bằng tay.

b) Quy trình trộn bê tơng:
Quy trình chung c a 1 trạm trộn đó là: Tập kết vật liệu → Định lư ng vật liệu
→ Đưa vào máy trộn → Trộn bê tông → Thu đư c bê tông thành phẩm, đưa đến
cơng trư ng.
Ví d
đây ta có quy trình trộn bê tơng xi măng c a trạm trộn bê tông cững
b c dạng tháp loại công su t nhỏ:

Trong đó :

1 - Phễu ch a và định lư ng sơ bộ;
2 - Tang s y cát đá;
8


3 - Băng g u;
4 - Thiết bị sàng;
5 - Lọc và thu b i;
6 - Bồn ch a bột đá;
7 - Buồng trộn;
8 - Bình cân nhựa nóng ;
9 - Thiết bị cân đong cát đá nóng và bột đá.
Nguyên lý hoạt động:
Vật liệu từ hộp c p liệu 1 đến tang s y 2. Sau khi đư c s y khô để giảm độ
ẩm, loại bỏ tạp ch t hiện có và tăng nhiệt độ c a cốt liệu. Sau đó nó đư c vận
chuyển theo phương đ ng nh băng tải g u đến thiết bị sàng, để phân loại và định
lư ng trước khi đưa vào máy trộn cùng với bi tum và bột khoáng. Sau đó q trình
trộn tiến hành; trộn xong ta sẽ thu đư c xi măng thành phẩm.
Quy trình hoạt động dạng lưu đồ:

Quy trình hoạt động của trạm trộn bê tơng xi măng.
9


2.3. Phát biểu bƠi toán đi u khiển tr m tr n.
Từ quy trình làm việc trên ta th y trạm trộn bê tơng làm việc theo một chu
trình với hữu hạn các bước đư c lặp lại. Với nhu c u cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa
c a nền kinh tế, nhu c u tự động hóa cho các nhà máy xí nghiệp, thì một bài tốn
đư c đặt ra là: c n phải thiết kế hệ thống điều khiển cho trạm trộn bê tông.
Trong báo cáo này, ta đi sẽ thiết kế hệ thống tự động hóa cho trạm trộn bê tông

công su t nhỏ (10 – 30 m3/h), sử d ng thiết bị điều khiển logic khả trình PLC.
Phát biểu bài tốn:
“Thiết kế hệ thống tự động hóa cho trạm trộn bê tơng cơng suất nhỏ trên
nền thiết bị khả trình PLC.”

10


CH

NG 2: GI I THI U PLC S7-300 VÀ CÁC THI T
B LIÊN QUAN

1. Gi i thi u v PLC S7-300 c a Siemens.
1.1. PLC lƠ gì?
PLC (viết t́t c a Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập
trình đư c (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển logic
thơng qua một ngơn ngữ lập trình.
Ngư i sử d ng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các
sự kiện này đư c kích hoạt b i tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC
hoặc qua các hoạt động có trễ như th i gian định thì hay các sự kiện đư c đếm.
PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế.
PLC hoạt động theo phương th c quét các trạng thái trên đ u ra và đ u vào.
Khi có sự thay đổi đ u vào thì đ u ra sẽ thay đổi theo. Ngơn ngữ lập trình c a
PLC có thể là Ladder hay State Logic. Hiện nay có nhiều hãng sản xu t ra PLC như
Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron,
Honeywell,...
Một khi sự kiện đư c kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển
bên ngoài đư c gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên t c "lặp"
trong chương trình do "ngư i sử d ng lập ra" ch tín hiệu ngõ vào và xu t tín

hiệu ngõ ra tại các th i điểm đã lập trình.
Trong bài toán này, với đối tư ng là một trạm trộn bê tông xi măng, ta sẽ dùng
PLC để điều khiển nó.
1.2. C u trúc, nguyên lý ho t đ ng c a PLC.
a) Cấu trúc:
T t cả các PLC đều có thành ph n chính là: Một bộ nhớ chương trình RAM
bên trong (có thể m 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.
Bên cạnh đó, một bộ PLC hồn ch̉nh cịn đi kèm thêm một đơn vị lập trình
bằng tay hay bằng máy tính. H u hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đ RAM
để ch a đựng chương trình dưới dạng hồn thiện hay bổ sung. Nếu đơn vị lập trình
là đơn vị xách tay, RAM thư ng là loại CMOS có pin dự phịng, ch̉ khi nào chương
11


trình đã đư c kiểm tra và sẵn sàng sử d ng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đối
với các PLC lớn thư ng lập trình trên máy tính nhằm hỗ tr cho việc viết, đọc và
kiểm tra chương trình. Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422,
RS485, ầ
b) Nguyên lý hoạt động:
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra
chương trình đư c ch a trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện th tự từng lệnh trong
chương trình, sẽ đóng hay nǵt các đ u ra. Các trạng thái ngõ ra y đư c phát tới
các thiết bị liên kết để thực thi. Và tồn bộ các hoạt động thực thi đó đều ph thuộc
vào chương trình điều khiển đư c giữ trong bộ nhớ.
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đư ng tín
hiệu song song:
- Address Bus: Bus địa ch̉ dùng để truyền địa ch̉ 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 đư c trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra
thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đư ng, cùng th i điểm cho
phép truyền 8 bit c a 1 byte một cách đồng th i hay song song.
Nếu một modul đ u vào nhận đư c địa ch̉ c a nó trên Address Bus, nó sẽ
chuyển t t cả trạnh thái đ u vào c a nó vào Data Bus. Nếu một địa ch̉ byte c a 8
đ u ra xu t hiện trên Address Bus, modul đ u ra tương ng sẽ nhận đư c dữ liệu từ
Data bus. Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt
động c a PLC. Các địa ch̉ và số liệu đư c chuyển lên các Bus tương ng trong một
th i gian hạn chế.
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm v trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O.
Bên cạch đó, CPU đư c cung c p một xung Clock có t n số từ 1¸8 MHz. Xung này
quyết định tốc độ hoạt động c a PLC và cung c p các yếu tố về định th i, đồng hồ
c a hệ thống.
1.3.

ng dụng c a PLC.

Cùng với sự phát triển c a ph n c ng và ph n mềm, PLC ngày càng tăng đư c
các tính năng cũng như l i ích c a PLC trong hoạt động cơng nghiệp. Kích thước
c a PLC ngày nay đư c thu nhỏ lại để số lư ng I/O và bộ nhớ càng nhiều hơn, các
12


ng d ng c a PLC càng mạnh hơn giúp ngư i sử d ng giải quyết đư c nhiều v n
đề ph c tạp trong điều khiển hệ thống.
L i ích đ u tiên c a PLC là hệ thống điều khiển ch̉ c n ĺp đặt một l n (với
một sơ đồ hệ thống, các đư ng nối dây, các tín hiệu các ngõ vào/ra,ầ), mà khơng
phải thay đổi kết c u c a hệ thống sau này, giảm đư c sự tốn kém khi phải thay đổi
ĺp đặt khi đổi th tự điều khiển ( đối với hệ thống điều khiển relay,ầ) khả năng

chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC để truyền dữ liệu
điều khiển l̃n nhau), hệ thống đư c điều khiển linh hoạt hơn.
Không như các hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng ĺp đặt do chiếm một khoảng
không gian nhỏ nhưng khả năng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống điều
khiển khác. Điều này càng tỏ ra thuận l i hơn với các hệ thống điều khiển lớn, ph c
tạp và quá trình ĺp hệ thống ít tốn th i gian hơn các hệ thốn khác.
Cuối cùng là ngư i sử d ng có thể nhận biết các tr c trặc hệ thống c a PLC
nh giao diện qua màn hình máy tính (một số PLC thế hệ sau có khả năng nhận biết
các hỏng hóc (trouble shoding ) c a hệ thống và báo cho ngư i sử d ng), điều này
làm cho việc sửa chữa thuận l i hơn.
Hiện nay PLC đã đư c ng d ng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xu t cả
trong công nghiệp và dân d ng. Từ những ng d ng để điều khiển các hệ thống đơn
giản, ch̉ có ch c năng ON/OFF thơng thư ng đến các ng d ng cho các lĩnh vực
ph c tạp, địi hỏi chính xác cao, ng d ng các thuật tốn trong q trình sản xu t.
Một số lĩnh vực tiêu biểu ng d ng PLC như sau:
- Hóa học và d u khí: định áp su t, bơm d u, điều khiển hệ thống ống d̃nầ
- Chế tạo máy và sản xu t: tự động hóa trong chế tạo máy, điều khiển nhiệt
độ lị nhiệt luyện kimầ
- Cơng nghiệp gi y, xi măng: Tự động hóa trong qua trình sản xu t nghiền
bột gi y, bột đá, trộn hỗn h pầ
- Thực phẩm, sản xu t bia, rư u, thuốc lá: đóng gói sản phẩm, phân loại,ầ
- Kim loại: Điều khiển qua trình luyện, cán thép,ầ
- Năng lư ng, giao thông,ầ
1.4. Thi t b đi u khiển logic khả trình PLC S7-300 c a Siemens.
a) Cấu hình phần cứng:
PLC S7-300 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ c a hãng Siemens
(Cộng hòa liên bang Đ c). Do để tăng tính mềm dẻo trong ng d ng thực tế mà
13

đó ph n lớn các đồi tư ng điều khiển có số tín hiệu đ u vào, đ u ra cũng như ch ng
loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC đư c thiết kế không bị
c ng hóa về c u hình. Chúng đư c chia nhỏ thành các module. Số lư ng module
đư c sử d ng nhiều hay ít tùy theo từng bài tốn, song tối thiểu bao gi cũng phải
có một module chính là module CPU. Các module cịn lại là những module
nhận/truyền tín hiệu đối với đối tư ng điều khiển, các module ch c năng chuyên
d ng như PID, điều khiển động cơ, ầ Chúng đư c gọi chung là module m rộng.
T t cả các module đư c gá trên những thanh ray (Rack).

Mơ hình PLC S7-300 lắp đặt trên rack.
Module CPU là loại module có ch a bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ
th i gian, bộ đếm, cổng truyền thông (TS485) ầ và có thể cịn có một vài cổng vào
ra số. Các cổng vào ra trên module CPU đư c gọi là cổng vào ra onboard.
Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module CPU khác nhau. Nói chung chúng
đư c đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như module CPU312, module CPU314,
module CPU315 ầ
Những module cùng sử d ng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng
vào ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt đư c tích h p sẵn trong thư viện
c a hệ điều hành ph c v việc sử d ng các cổng vào ra onboard sẽ đư c phân biệt
với nhau trong tên gọi bằng những c m chữ cái IFM (Intergrated Function Module).
Ví d module CPU312 IFM, module CPU 324 IFM ầ
Ngồi ra cịn có các loại module CPU vói hai cổng truyền thơng, trong đó cổng
truyền thơng th hai có ch c năng chính là ph c v việc nối mạng phân tán. T t
nhiên kèm theo cổng truyền thông th hai này là những ph n mềm tiện d ng thích
14


h p cũng đã đư c cài sẵn trong hệ điều hành. Các loại module CPU đư c phân biệt
với những module CPU khác bằng thêm c m từ DP (Distributed Port) trong tên
gọi. Ví d module CPU315-DP.

Các module m rộng thư ng đư c chia làm 5 loại chính:
- PS (Power Supply): Module nguồn ni. Có 3 loại 2A, 5A và 10A.
- SM (Signal Module): Module m rộng cổng tín hiệu vào ra, bao gồm:

 DI (Digital Input): Module m rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số
m rộng có thể là 8. 16 hoặc 32 tùy thuộc vào từng loại module.

 DO (Digital Output): Module m rộng các cổng ra số.



DI/DO: Module m rộng các cổng vào/ra số.

 AI (Analog Input): Module m rộng các cổng vào tương tự. Về bản ch t
chúng chính là những bộ chuyển đối tương tự số 12bits (AD), t c là môi
xtins hiệu tương tự đư c chuyển thành một tín hiệu số (ngun) có độ dài
12 bits. Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tùy thuộc từng loại
module.

 AO (Analog Output): Module m rộng các cổng ra tư ng tự. Chúng là
những bộ chuyển đổi số-tương tự (DA).

 AI/AO: Module m rộng cổng vào/ra tương tự.

- IM (Interface Module): Module ghép nối. Đây là loại module chuyên d ng
có nhiệm v nối từng nhóm các module m rộng lại với nhau thành một
khối và đư c quản lý chung b i một module CPU. Thông thư ng các
module m rộng đư c gá liền với nhau trên một thanh đ̃, trên mỗi một
rack ch̉ có thể gá đư c nhiều nh t 8 module m rộng (không kể module
CPU, module nguồn nuôi). Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực

tiếp đư c với nhiều nh t 4 ranks và các ranks này phải đư c nối với nhau
bằng module IM.
- FM (Function Module): Module có ch c năng điều khiển riêng, ví d như
module điều khiển động cơ bước, module điều khiển động cơ servo,
module PID, module điều khiển vịng kín, ầ
- CP (Communication Module): Module ph c v truyền thông trong mạng
giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.

15


PLC S7-300 với các Module.
b) Cấu trúc bộ nhớ của CPU:
Bộ nhớ c a S7-300 đư c chia làm ba vùng nhớ chính:
- Vùng nhớ chương trình ng d ng. Vùng nhớ chương trình đư c chia thành
miền:
 OB (Organisation block): Miền ch a chương trình tổ ch c.





FC (Funcion): Miền ch a chương trình con đư c tổ ch c thành hàm có
biến hình th c dể trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó.
FB (Function block): Miền ch a chương trình con, đư c tổ ch c thành
hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với b t c một khối chương trình nào
khác. Các dữ liệu này phải đư c xây dựng thành một khối dữ liệu riêng
(gọi là DB – Data block).

- Vùng ch a tham số c a hệ điều hành và chương trình ng d ng, đư c phân

chia thành 7 miền khác nhau, bao gồm:

 I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số. Trước khi
b́t đ u thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic c a t t cả các
cổng vào và c t chúng trong vùng nhớ I. Thông thư ng chương trình ng
d ng khơng đọc trực tiếp trạng thái logic c a cổng vào số mà ch̉ l y dữ
liệu c a cổng vảo từ bộ đệm I.

 Q (Process image output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc
giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic c a bọ đệm

16


Q tới các cổng ra số. Thông thư ng chương trình khơng trực tiếp gán giá
trị tới tận cổng ra mà ch̉ chyển chúng vào bộ đệm Q.

 M: Miền các biến c . Chương trình ng d ng sử d ng vùng nhớ này để
lưu trữ các tham số c n thiết và có thể truy cập nó theo bit (M), byte (MD),
từ (MW) hay từ kép (MD).

 T: Miền nhớ ph c v bộ th i gian (Timer) bao gồm việc lưu trữ giá trị
th i gian đặt trước (PV – preser value), giá trị đếm th i gian t c th i (CV
– current value) cũng như giá trị logic đ u ra c a bộ th i gian.

 C: Miền nhớ ph c v bộ đếm (Counter) bao giồm việc lưu trữ giá trị đặt
trước (PV – preser value), giá trị đếm t c th i (CV – current value) và giá
trị logic đ u ra c a bộ đếm.
 PI: Miền địa ch̉ cổng vào c a các module tương tự (I/O external input).
Các giá trị tương tự tại cổng vào c a module tương tự sẽ đư c module

đọc và chuyển tự động theo những địa ch̉. Chương trình ng d ng có thể
truy nhập miền nhớ PI theo từng byte, từng từ hoặc theo từ kép.

 PQ: Miền địa ch̉ cổng ra cho các module tương tự (I/O external output).
Các giá trị theo những địa ch̉ này sẽ đư c module tương tự chuyển tới
các cổng ra tương tự. Chương trình ng d ng có thể truy nhập miền nhớ
PQ theo từng byte, từng từ hoặc theo từ kép.
- Vùng ch a các khối dữ liệu, đư c chia thành 2 loại:

 DB (Data block): Miền ch a các dữ liệu đư c tổ ch c thành khối. Kích
thước cũng như số lư ng khối dư c ngư i dùng quy định, phù họp với
những bài tốn điều khiển. Chương trình có thể truy nhập miền này theo
từng bit, byte, từ, hoặc từ kép.

 L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, đư c các khối chương
trình OB, FC, FB tổ ch c và sử d ng cho các biến nháp t c th i và trao
đổi dữ liệu c a biến hình th c với những khối chương trình đã gọi nó. Nội
dung c a một số dữ liệu trong biền nhớ này sẽ bị xóa khi kết th c chương
trình tương ng trong OB, FC, FB. Miền này có thể đư c truy nhập từ
chương trình theo từng bit, bute, từ hoặc từ kép.
1.5. Vịng qt ch

ng trình.

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vịng lặp đư c gọi là vòng
quét (scan). Mỗi vòng quét b́t đ u bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào
số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng
17

vịng qt, chương trình đư c thực hiện từ lệnh đ u tiên đến lệnh kết thúc c a khối
OBI (Block end). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội
dung c a bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét đư c kết thúc bằng giai đoạn
truyền thông nội bộ và kiểm lỗi.

Vịng qt chương trình.
Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tương tự nên
các lệnh truy nhập cổng tương tự đư c thực hiện trực tiếp với cổng vật lý ch không
thông qua bộ đệm.
Th i gian c n thiết để PLC thực hiện đư c một vòng quét gọi là th i gian vịng
qt (scan time). Th i gian vịng qt khơng cố định, t c là khơng phải vịng qt
nào cũng đư c thực hiện trong một khoảng th i gian như nhau. Có vịng qt đư c
thực hiện lâu, có vòng quét đư c thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong
chương trình đư c thực hiện, vào khối lư ng dữ liệu đư c truyền thơng ầ trong
vịng quét đó.
Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tư ng để xử lý, tính tốn và việc gửi tín
hiệu điều khiển tới đối tư ng có một khoảng th i gian trễ đúng bằng th i gian vòng
quét. Nói các khác, th i gian vịng qt quyết định tính th i gian thực c a chương
trình điều khiển trong PLC. Th i gian vịng qt càng nǵn, tính th i gian thực c a
chương trình càng cao.
Nếu sử d ng các khối chương trình đặc biệt có chế độ nǵt, ví d như khối
OB40, OB80ầ, chương trình c a các khối đó sẽ đư c thực hiện trong vòng quét
18


khi xu t hiện tín hiệu báo nǵt cùng ch ng loại. Các khối chương trình này có thể
đư c thực hiện tại mọi điểm trong vịng qt ch khơng bị gò ép là phải trong
giai đoạn thực hiện chương trình. Chẳng hạn nếu một tín hiệu báo nǵt xu t hiện
khi PLC đang giai đoạn truyền thông và kiểm tra nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công
việc truyền thông, kiểm tra để thực hiện khối chương trình tương ng với tín hiệu

báo nǵt đó. Với hình th c xử lý tín hiệu nǵt như vậy, th i gian vịng qt sẽ càng
lớn khi càng có nhiều tín hiệu nǵt xu t hiện trong vịng qt. Dó đó để nâng cao
tính th i gian thực cho chương trình điêu khiển, tuyệt đối khơng nên viết chương
trình xử lý nǵt q dài hoặc quá lạm d ng việc sử d ng chế độ nǵt trong chương
trình điều khiển.
Tại th i điểm thực hiện lệnh vào ra, thông thư ng lệnh không làm việc trực
tiếp với cổng vào/ra mà ch̉ thông quá bộ đệm ảo c a cổng trong vùng nhớ tham số.
Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong giai đoạn 1 và 3 do hệ điều
hành CPU quản lý. một số module PCU, khi gặp lệnh vào/ra ngay lập t c, hệ
thống sẽ cho dùng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý nǵt để thực
hiện lệnh trực tiếp với cổng vào ra.
1.6. C u trúc ch

ng trình c a S7-300.

Chương trình cho S7-30 đư c lưu trong bộ nhớ c a PLC
cho chương trình và có thể đư c lập với hai dạng c u trúc sau:

vùng dành tiêng

a) Lập trình tuyến tính:
Tồn bộ chương trình điều khiển nằng trong một khối trong bộ nhớ. Loại hình
c u trúc tuyến tính này phù h p với những bài tốn tự động nhỏ, khơng ph c tạp.
Khối đư c chọn phải là khối OB1, là khối mà PLC luôn quét và thực hiện các lệnh
trong nó thư ng xuyên, từ lệnh đ u tiên dến lệnh cuối cùng và quay lại lệnh đ u
tiên.

Lập trình tuyến tính.
19

b) Lập trình có cấu trúc:
Chương trình đư c chia thành những ph n nhỏ với từng nhiệm v riêng và các
ph n này nằm trong những khối chương trình khác nhau. Loại hình c u trúc này
phù h p với những bài toán điều khiển nhiều nhiệm v và phúc tạp. PLC S7-300
có bốn loại khối cơ bản:
- Loại khối OB (Organization block): Khối tổ ch c và quản lý chương trình
điều khiển. Có nhiều loại khối OB với những ch c năng khác nahu, chúng
đư c phân biệt với nhau bằng một số nguyên đi sau nhóm ký tự OB, ví d
OB1, OB35, ầ
- Loại khối FC (Program block): Khối chương trình với những ch c năng
riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm (chương trình con có
biến hình th c). Một chương trình ng d ng có thể có nhiều khối FC và
các khối FV này đư c phân biệt với nhau bằng một số ngun sau nhóm
ký tự FC. Ví d FC1, FC2, ầ
- Loại khối DB (Data block): Khối ch a các dữ liệu c n thiết để thực hiện
chương trình. Các tham số c a khối do ngư i dùng tự đặt. Một chương
trình ng d ng có thể có nhiều khối DB và các khối DB này đư c phân biệt
với nhau bằng một số nguyên sau nhóm ký tự DB.
Chương trình trong các khối đư c liên kết với nhau bằng các lệnh gọi khối,
chuyển khối. Xem những ph n chương trình trong các khối như là các chương trình
con thì S7-300 cho phép gọi chương trình con lồng nhau, t c là từ chương trình con
này gọi mọt chương trình con khác và từ chương trình con đư c gọi lại gọi tới một
chương trình con th 3 ầ Số các lệnh gọi lồng nhau ph thuộc vào từng ch ng loại
module CPU mà ta sử d ng. Ví d như đối với module CPU314 thì số lệnh gọi lồng
nhau nhiều nh t có thể cho phép là 8. Nếu số l n gọi khối lồng nhau mà vư t quá
con số giới hạn cho phép, PLC sẽ tự chuyển sang chế độ STOP và đặt c báo lỗi.

20

1.7. Các l nh sử dụng trong ch

ng trình.

a) Lệnh xử lý bit (công tắc):
Công t́c thư ng m (Nomally Open, viết t́t là NO) và công t́c thư ng đóng
(Nomally Closed, viết t́t là NC). Đối với PLC, mỗi công t́c đại diện cho trang thái
1 bit trong bộ nhớ dữ liệu hay vùng ảnh c a các đ u vào, ra. Cơng t́c thư ng m
sẽ đóng (ON nghĩa là cho dòng điện đi qua) khi bit bằng 1, cịng cơng t́c thư ng
đóng sẽ đóng (ON) khi bit bằng 0.
Trong LAD, các lệnh này đư c biểu diễn bằng chính các cơng t́c thư ng đóng
và thư ng m . Trong FBD, các công t́c thư ng m đư c biểu diễn như các đ u
vào hoặc ra c a các khối ch c năng AND hoặc OR. Cơng t́c thư ng đóng đư c
thêm d u đảo (vòng tròn nhỏ) đ u vào tương ng.

Ký hiệu công tắc trong LAD và FBD.
b) Bộ định thời:

Ký hiệu bộ định thời
21


Có 3 loại bộ định th i :
- Bộ đóng trễ (On – Delay Timer) TON
- Bộ đóng trễ có nhớ (Retentive On – Delay Timer) TONR
- Bộ nǵt trễ (Off – Delay Timer) TOF
Các bộ đóng trễ và đóng trễ có nhớ b́t đ u đếm th i gian khi có đ u vào EN
(enable) m c 1 (ON). Lúc giá trị đếm đư c lớn hơn hay bằng giá trị đặt trước tại
đ u vào PT (Preset Time) thì bit trạng thái sẽ đư c đặt bằng 1 (ON). Điều khác

nhau giữa 2 loại bộ đóng trễ này là bộ đóng trễ bình thư ng sẽ bị Reset (cả giá trị
đan đếm l̃n bit trang thai đều đư c đưa về 0) khi đ u vào EN = 0; trong khi bộ
định th i có nhớ lưu lại giá trị c a nó khi đ u vào EN bằng 0 và tiếp t c đếm khi
đ u vào EN bằng 1.
Như vậy ta có thể dùng loại có nhớ để cộng th i gian những lúc đ u vào EN
bằng 1. Loại bộ định th i này có thể reset (xóa giá trị đang đếm về 0) bằng lệnh R
(Reset). Cả hai loại bộ đóng trễ ṽn tiếp t c đếm th i gian ngay cả sau khi đạt đến
giá trị đặt trước PT và ch̉ dừng đếm khi đạt giá trị tối đa 32767 (16#7FFF).
Bộ nǵt trễ để đưa giá trị đ u ra (bit trạng thái) về 0 (OFF) trễ 1 khoảng th i
gian sau khi đ u vào (EN) đổi về 0. Khi đ u vào EN đư c đặt bằng 1 (ON) thì bit
trạng thái c a bộ nǵt trễ cũng bằng 1 ngay lúc đó đồng th i giá trị đếm c a nó bị
xóa về 0. Khi đ u vào EN về 0, thì bộ định th i b́t đ u đếm cho đến khi đạt đư c
giá trị đặt trước PT. Lúc đó bit trạng thái c a bộ nǵt trễ sẽ về 0 đồng th i nó cũng
ngừng đếm. Nếu đ u vào EN ch̉ bằng không trong khoảng th i gian nǵn hơn th i
gian đư c đặt rồi quay lại bằng 1 thì bit trạng thái c a bộ định th i ṽn giữ nguyên
bằng 1. Bộ nǵt trễ ch̉ b́t đ u đếm khi có sư n thay đổi từ 1 về 0 đ u vào EN.

Địa chỉ và thời gian trễ của bộ định thời

22


c) Bộ đếm:
Có ba loại bộ đếm: bộ đếm lên (Count Up), bộ đếm xuống (Count Down) và
bộ đếm lên xuống (Count Up/Down).
Bộ đếm lên đếm cho đến giá trị tối đa c a nó (32767) mỗi khi có sư n lên
đ u vào đếm lên (CU). Khi giá trị đếm (Cxxx) lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước
(PV) thì bit trạng thái (Cxxx) sẽ có giá trị 1 (ON). Bộ đếm có thể bị xóa (reset) b i
m c 1 đ u vào reset (R), lúc đó cả giá trị đếm và bit trạng thái sẽ bị xóa về 0.
Bộ đếm xuống đếm từ giá trị đặt trước (PV) mỗi khi có sư n lên đ u vào

đếm xuống (CD). Khi giá trị đếm (Cxxx) bằng 0, bit trang thái (Cxxx) bằng 1 đồng
th i bộ đếm ngừng đếm. M c cao đ u vào LD xóa bit trạng thái về 0 và tải giá trị
đặt trước PV vào giá trị đếm.
Bộ đếm vừa đếm lên vừa đếm xuống đếm lên khi có sư n lên đ u vào đếm
lên (CU) và đếm xuống khi có sư n lên đ u vào đếm xuống (CD). Khi giá trị đếm
(Cxxx) lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước (PV) thì bit trạng thái (Cxxx) sẽ có giá
trị 1 (ON). Bộ đếm có thể bị xóa (reset) b i m c 1 đ u vào reset (R), lúc đó cả
giá trị đếm và bit trạng thái sẽ bị xóa về 0.
Số hiệu các bộ đếm: C0 đến C255. Trong CPU 221 , 222 và 224 mỗi bộ đếm
đư c xác định loại tùy theo lệnh khai báo nhưng không thể khai báo các bộ đếm
loại khác nhau với cùng một địa ch̉ (trong vùng C).

Ký hiệu bộ đếm trong LAD và FBD

23


d) Lệnh scale:

Ký hiệu lệnh đọc giá trị analog từ loadcell trong LAD
Trong đó: Ov = ((OSH – OSL) * (Iv-ISL)/(ISH-ISL)) + OSL
Với:

Ov

= output value ( Real )

Iv

= input value ( INT )

OSH = high limit of the scale output value ( Real )
OSL = low limit of the scale output value ( Real )
ISH = high limit of the scale input value ( INT)
ISL

= low limit of the scale input value ( INT)

2. Các thi t b liên quan.
2.1. Module Analog c a Siemens.
Module analog là một công c để xử lý các tín hiệu tương tự thơng qua việc
xử lý các tín hiệu số.
a) Analog input:
Thực ch t nó là một bộ biến đổi tương tự - số (ADC). Nó chuyển tín hiệu
tương tự đ u vào thành tín hiệu số đ u ra. Dùng để kết nối các thiết bị đo với
bộ điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ, đo khối lư ng...
b) Analog output:
Thực ch t nó là một bộ biến đổi số - tương tự (DAC). Nó chuyển tín hiệu số
đ u vào thành tín hiệu tương tự đ u ra. Dùng để điều khiển các thiết bị với dải
đo tương tự.Chẳng hạn như điều khiển Van m với góc từ 0-100%, hay điều khiển
tốc độ biến t n 0-50Hz.
Nguyên lý hoạt động c a module analog:
24


- Điện áp : 0 – 10V, 0-5V, 5Vầ
- Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA, 10mA.

Nguyên lý hoạt động của module analog 2.2
2.2. Đ u đọc tín hi u cơn PAXS vƠ PAXI.

a) Giới thiệu về bộ hiển thị giá trị loadcell PAXS:
Bộ đếm PAXS là sản phẩm c a hãng Redlion. Nó là bộ hiển thị giá trị loadcell
có nhiều điểm đặc trưng và khả năng thích h p cho việc m rộng những ng d ng
trong cơng nghiệp.
Bộ đếm này có thể dùng đư c 5 chế độ khác nhau cho phép nhận các ngõ vào
tương tự bao gồm cả các tín hiệu từ bộ chuyển đổi tín hiệu từ điện áp sang dịng
điện 1 chiều, xoay chiều (DC Voltage / Current, AC Voltage / Current), tín hiệu
c a cảm biến nhiệt độ và tín hiệu ngõ vào Strain Gate.
Bộ đếm này có màn hình LED hiển thị là 0.56” và t m đo cho phép là từ 19999
đến 99999, có t t cả 4 setpoint ngõ ra. Ngồi ra ta có thể thay đổi chương trình bằng
các phím nh n ch c năng hoặc bằng ph n mềm Crimson.
Bộ đếm PAXS có hỗ tr giao tiếp, truyền thông với các thiết bị khác bằng
cổng Enthernet, RS232, RS485 và các bus dùng công nghiệp như Divicenet,
Modbus, Profibus – DP. Giá trị đọc ngõ ra và giá trị setpoint có thể điều khiển thơng
qua bus.

25