nghiên cứu tổng quan cần cẩu kone. xây dựng chương trình điều khiển hệ thống cấp nguồn và cơ cấu quay

LỜI NÓI ĐẦU
Nước ta là một nước ở Đông Nam Á với nhiều mặt giáp biển và sông
ngòi.Vận tải biển là một trong những ngành đem lại hiệu quả kinh tế cao mà nước
ta đang chú trọng phát triển.Cần trục Kone là một trong những phương tiện quan
trọng giúp cho hoạt động vận tải. Nó có thể linh hoạt trong công tác bốc xếp hàng
hóa thay cho con người nhằm giảm sức lao động và tăng tính an toàn trong công
việc.Vì vậy hiện nay hầu hết các cảng biển ở nước ta cũng như các nước khác trên
thế giới đã và đang sử dụng cần trục Kone. Để sử dụng cần trục Kone một cách
hiệu quả nhất , tiện lợi nhất ta phải hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động trong
từng cơ cấu của nó.Trong đồ án này em xin phép được trình bày tổng quan về cần
trục Kone và đi sâu hơn về xây dựng chương trình điều khiển cấp nguồn cà cơ cấu
quay trong cần trục Kone. Là một sinh viên nên kinh nghiệm thiết kế cũng như
điều khiển của em chưa nhiều nên không thể tránh khỏi sai sót. Em mong thầy cô
chỉ bảo cho em để em ngày càng hoàn thiện mình hơn.Em xin chân thành cảm ơn
và kinh chúc sức khỏe thầy, cô.
1
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ CẦN TRỤC KONE
1.1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
Kone lịch sử bắt đầu từ năm 1910 khi các động cơ điện, sửa chữa cửa hàng
KONE Tổng công ty được thành lập. Kone đã phát triển trong những năm qua chủ
yếu là hữu cơ nhưng có một hồ sơ theo dõi việc mua lại mạnh mẽ là tốt. Năm 1933
KONE Tổng công ty bắt đầu xây dựng khá lớn trên cao Electric Du lịch Cần
cẩu. Các khách hàng chính là lúc đầu chủ yếu từ bột giấy và giấy và ngành công
nghiệp điện.
Năm 1994 cần trục chân đế Kone được hang KRANNEFF của Phần Lan
thiết kế.Nhóm cần trục này được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Đối với nước ta
hầu hết các cảng biển đều sử dụng cần trục Kone. Cần trục Kone đặc tính tốc độ
phù hợp bốc xếp hang hóa cho cảng biển và nâng chuyển trong công nghiệp bốc
máy cho ngành đóng sửa chữa tàu biển.
Các cơ cấu chính của cần trục Kone:
- Cơ cấu nâng hạ hàng

- Cơ cấu nâng hạ cần
- Cơ cấu quay mâm
- Cơ cấu di chuyển chân đế
Cấu trúc cơ khí của cần trục Kone:
- Tháp cần trục làm bằng thép , có gắn tay cần trục , cabin điều khiển , buồng đặt
thiết bị điều khiển.
- Tay cần của cần trục được chế tạo bằng những thanh thép được ghép thành dầm
ứng lực , một đầu được gắn bằng khớp với tháp cẩu, một đầu được treo bằng tháp
thông qua hệ thống ròng rọc và có thể quay xung quanh khớp gắn vơi tháp cẩu.
- Cabin điều khiển là buồng điều khiển tập trung của cần trục, trong đó trang bị
những tay điều khiển để điều khiển cơ cấu.
2
Trong đồ án này em xin phép đi sâu về xây dựng điều khiển cấp nguồn và cơ
cấu quay cho cần trục Kone.
1.2. CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN
- Sức nâng 8 – 25 tấn
- Tầm với 24 – 38 m
- Chiều cao nâng hạ hàng với tải
+ 25 tấn chiều cao là 45 + 9 m
+ 15 tấn chiều cao là 39 + 9 m
- Tốc độ nâng hàng móc 25 tấn là 10m/ph
- Tốc độ nâng hàng móc 8 tấn là 60m/ph
- Tốc độ di chuyển xe là 46m/ph
- Tốc độ quay mâm là 1m/ph
- Tốc độ nâng cần là 25m/ph
- Góc quay 360
0
- Chiều rộng của đường ray 10,5m
- Chiều dài tâm bánh xe trước đến tâm bánh xe sau là 5,4m
- Chiều cao đỉnh tháp là 37,3m

- Chiều cao đỉnh cần là 45m
- Nguồn điện 3 pha điện áp U
dm
=380V, f=50Hz
1.3. CÁC QUY ƯỚC CHUNG KHI ĐỌC BẢN VẼ KỸ THUẬT CẦN
TRỤC KONE
Để thuyết minh các bản vẽ trong quá trình nghiên cứu , trong công tác vận hành
thuận lợi cần hiểu rõ một số quy định về ký hiệu , để làm ngắn gọn cho phần thuyết
minh nhưng vẫn đầy đủ chính xác .
Các quy định đó là:
3
- Các cuộn hút của công tắc tơ – rơ le được kí hiệu bằng chính tên của nó.Khi được
cấp điện có giá trị logic 1 con không cấp điện giá trị logic là 0.
- Các tiếp điểm của công tắc tơ – rơ le được ký hiệu bằng tên của nó kèm theo số
cột trong ngoặc đơn . Tiếp điểm đóng có giá trị 1 logic, mở có giá trị 0 logic
- Trường hợp tiếp điểm của công tắc tơ – rơ le nằm ở bản vẽ khác ma công tăc tơ –
rơ le được biểu diễn thì trước hàng số biểu diễn cột của tiếp điểm sẽ có số hoặc
chữ biểu diễn bản vẽ mà ở đó tiếp điểm của công tắc tơ – rơ le được sử dụng.
- Khi tiếp điểm hoặc công tắc tơ – rơ le đã được biểu diễn ở bản vẽ khác khi xem
xét hoạt động được biểu diễn trong bản vẽ đang xét thì trước ký hiệu công tắc tơ –
rơ le hoặc tiếp điểm sẽ có chữ hoặc số biểu diễn
Các ký hiệu trên bản vẽ của sơ đồ:
Các bản vẽ nguyên lý của các cơ cấu Kone được ký hiệu như sau:
- OP1 : biểu diễn sơ đồ điện nguyên lý mạch cấp nguồn
- OP2 : bản vẽ biểu diễn sơ đồ điện nguyên lý điều khiển cơ cấu nâng hạ hàng
chính móc 25 tấn
- OP3 : bản vẽ biểu diễn sơ đồ điện nguyên lý điều khiển cơ cấu nâng hạ hàng móc
8 tấn
- OP4 : bản vẽ biểu diễn sơ đồ điện nguyên lý điều khiển cơ cấu nâng hạ cần
- OP5 : bản vẽ biễu diễn sơ đồ điện nguyên lý điều khiển cơ cấu quay mâm

- OP6 : bản vẽ biễu diễn sơ đồ điện nguyên lý điều khiển cơ cấu điều khiển mạch
động lực cơ cấu di chuyển xe
- OP6 : bản vẽ biểu diễn sơ đồ điện nguyên lý mạch điều khiển của cơ cấu di
chuyển
- OP7 : Bản vẽ biểu diễn sơ đồ điện nguyên lý mạch điều khiển của cơ cấu di
chuyển xe
- Bản vẽ OP28 tới OP 35 là bản vẽ sơ đồ đấu dây
- Các ký hiệu trên bản vẽ
4
+ Bản vẽ cho ký hiệu chữ A ở đầu là bản vẽ cho sơ đồ điện nguyên lý của cơ cấu
nâng hạ hàng móc 25 tấn
+ Bản vẽ cho ký hiệu chữ B ở đầu là bản vẽ cho sơ đồ điện nguyên lý cơ cấu nâng
hạ hàng moc 8 tấn
+Bản vẽ cho ký hiệu chữ K ở đầu là bản vẽ cho sơ đồ điện nguyên lý cơ cấu quay
mâm
+Bản vẽ cho ký hiệu chữ P ở đầu là bản vẽ cho sơ đồ điện nguyên lý cơ cấu nâng
hạ cần
+Bản vẽ cho ký hiệu chữ R ở đầu là bản vẽ sơ đồ điện nguyên lý cơ cấu di chuyển
xe.
5
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG CẤP NGUỒN CHO CẦN TRỤC KONE
2.1. SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN CẤP NGUỒN CHO CẦN TRỤC KONE
6
2.2. THỨ TỰ CẤP NGUỒN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CẤP
NGUỒN CHO CẦN TRỤC KONE
Nguồn điện cung cấp cho các cơ cấu của cần cẩu KONE được điều khiển bằng các
công tắc tơ –rơ le, cầu dao. Sơ đồ nguyên lý điều khiển cấp nguồn cho cần trục
KONE được biểu diễn trên hình 2.2 .
Điện áp cung cấp cho các động cơ 3 pha, U
dm

= 380V, tần số f =50Hz.
Điện áp cung cấp cho mạch điều khiển U
DK
= 220V, tÇn sè f = 50Hz.
Điện áp cung cấp cho mạch điều khiển dïng r¬ le thêi gian ®iÖn tõ 1 chiÒu
U
MC
= 220V.
Cung cấp nguồn cho các cơ cấu chính thông qua hệ thống vành trượt trên
trục của ru lô và đưa đến cầu dao chính Oa1 đặt trên đầu trục.Từ cầu dao Oa1, cáp
nguồn được nối với vành trượt thứ 2 bố trí trong trụ quay cần trục để cấp cho cầu
dao Oa2 lắp đặt trong cabin điều khiển.
Thứ tự cấp nguồn cho cần trục :
Khi cầu dao chính được đóng Oa1 = 1 cấp điện tới cầu dao Ta1 và Ta2 cho
hệ thống chiếu sang báo hiệu, chiếu sang, sấy các động cơ , đồng thời cấp điện cho
cầu dao Oa2.
Khi cầu dao Oa2 = 1 thì nguồn điện được cấp tới công tắc xoay Oa3 và công
tắc xoay Ob2 sẵn sang cấp cho công tắc tơ Oc1 sẵn sàng cấp nguồn cho các cơ cấu
chính của cần trục.
Để tiến hành cung cấp nguồn điện cho mạch động lực của cơ cấu nâng hạ
hàng , nâng hạ cần , cơ cấu quay mâm và cơ cấu di chuyển xe cần tiến hành các
bước sau :
1.Đưa tất cả các tay điều khiển của các cơ cấu chính về vị trí 0, lúc này ta có Ab3 =
1,Bb3 = 1,Pb3 = 1, Rb3 = 1, Kb3 = 1
2. Đóng áptômát Oa4 và Oa5 về vị trí ON, lúc này Oa4 = 1 , Oa5 = 1
3. Ấn nút khởi động nguồn Ob4.
7
Ob4 = 1 cấp điện cho rơle trung gian Od1
Od1 = 1 làm cho Od1 (15) = 1.
Nguồn điện được đưa tới cuộn hút của côngtắctơ chính Oc1 = 1 đóng các

tiếp điểm chính của nó lại như Oc1(3) = 1, Oc1(7) = 1 .
Tín hiệu hóa việc cấp nguồn bằng đèn Oh1 sáng , báo hiệu côngtắctơ Oc1 đã
đóng mạch cấp điện đến các cơ cấu của cần trục.
Trường hợp công tắc tơ chính Oc1 không làm việc, đèn tín hiệu không sáng, mạch
điều khiển cấp nguồn bảo vệ sự cố các cơ cấu điều khiển chính như hệ thống quạt
gió cho buồng máy , thông gió cho các điện trở phụ, bảo vệ quá tải cho các động
cơ truyền động, các tay điều khiển không ở vị trí 0 .
Thứ tự ngừng cấp nguồn cho cần trục thực hiện theo các bước sau đây:
1. Đưa tay điều khiển các cơ cấu chính về vị trí “ 0 ”.
2. Ấn nút stop ( Ob3 ) = 0, công tắc tơ chính Oc1 =0, đèn báo Oh1 tắt khi
công tắc tơ chính mất điện
3. Ngắt cầu dao Oa2 ( đưa tay cầu dao về vị trí OFF ) ; an toàn cho mạch
động lực cũng như mạch điều khiển của các cơ cấu. Nhưng mạch điều
khiển cho mạch sấy và chiếu sáng vẫn có điện
4. Ngắt cầu dao Oa1 ( đưa tay cầu dao về vị trí OFF ); bảo đảm an toàn cho
hệ thống.
2.3. Các bảo vệ cần có khi cấp nguồn cho cần trục kone
Các bảo vệ cần có trong sơ đồ điện điều khiển cấp nguồn cho cần trục :
Bảo vệ “ 0 ” là bảo vệ mất điện trong lúc cần trục đang hoạt động , không
cho phép hoạt động trở lại khi chưa thực hiện thứ tự cấp nguồn
Bảo vệ ngắn mạch : Khi trên cần trục xẩy ra ngắn mạch cấp nguồn cho mạch
điện động lực của các cơ cấu hệ thống thì hệ thống cấp nguồn phải bảo vệ nhằm
mục đích bảo vệ hệ thống cung cấp điện
8
Bảo vệ ngừng cấp nguồn khi một trong các cơ cấu chính quá tải
2.4. SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN CHO HỆ THỐNG CẤP NGUỒN CẦN TRỤC
KONE
9
Od1=0
Oh1=0

Oh2=1
2
Ke1=0
Đ
S
Ae1=0
Đ
S
S
Đ
Be1=0
S
Đ
Ob3=0
S
Đ
Oa5=1
S
Đ
Oa4=1
S
Đ
Oa3=1
Ob2=1
S
Đ
Oa2=1
T23,T24=1
S
Đ

Ta1=1
Oa1=1
Đ
S
Cap nguon
Start
10
Od1=0
Oh1=0
Oh2=1
Om11=1
Đ
S
Đ
Ob4=1
S
Re1=0
Đ
S
Đ
Pe1=0
2
OP3=1 OP2=1 OP5=1
OP4=1
OP6=1
Oh1=1
Od1=1
Oc1=1
CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU QUAY CHO
11

CẦN TRỤC KONE
3.1. ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU QUAY MÂM
Hai động cơ truyền động cho cơ cấu quay là động cơ không đồng bộ rôt dây quấn.
Loại động cơ 16LTS2F – 9584 có các thông số như sau:
Công suất định mức : p
dm
= 15 kw
Hệ số công tác ngắn hạn lặp lại :
%
ε
= 40%
Điện áp định mức : U
đm
= 380 V
Dòng điện định mức : I
đm
= 34 A
Tốc độ định mức : n
đm
= 1500 vg/ph
Điện áp rotor : U
2
= 300 V
Dòng điện rotor : U
2
= 34 A
Điện trở rotor R
2
= 0,14 Ω/20
0

3.2. SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU QUAY VÀ CHỨC NĂNG CÁC PHẦN
TỬ
12
13
Sơ đồ điều khiển cơ cấu quay mâm
Sơ đồ nguyên lý điều khiển cơ cấu quay mâm của cần trục KONE K4961 được
biểu diễn trên hình trên và chức năng các phần tử trong sơ đồ :
K2m1, K2m2 : Các động cơ không đồng bộ roto dây quấn truyên động cho
cơ cấu quay mâm.
Kc1, Kc2 : các công tắc tơ điều khiển cấp nguồn cho cuộn dây stato để động
cơ quay thuận và quay ngược.
K1c40 ÷ K1c43; K2c40 ÷ K2c43 : các công tắc tơ điều khiển điện trở phụ
trong mạch roto của động cơ.
K1e1 và K2e1 : Các rơle nhiệt bảo vệ quá tải cho các động cơ.
Ke1 : Cầu chì bảo vệ ngắn mạch.
này các rơ le Kd43 =1, Kd44 =1 làm cho Kd43(16) =0, Kd44(16) = 0, bảo vệ an
toàn cho cơ cấu quay mâm đồng thời Kd43(9) =1, Kd44(9) = 1 cấp điện cho mạch
điều khiển và cấp nguồn cho Kd42 = 1, Kd41 = 1 làm cho Kd41(15) = 1, Kd42(14)
= 1 sẵn sang đưa các công tắc tơ K1c41 và K2c41 vào làm việc.
Tốc độ 1 quay phải Kd43 và Kd44 là các rơle thời gian để khống chế
quá trình tăng, giảm tốc độ khi điều khiển.
3.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CƠ
CẤU QUAY
Thứ tự cung cấp nguồn cho cần trục đã được thực hiện. Sơ đồ điện nguyên lý điều
khiển cơ cấu quay mâm biểu diễn trên hình . Tay điều khiển Kb3 ở vị trí “0” , lúc
Khi đưa tay điều khiển Kb3 về vị trí số 1, Kb3 = 1, ta có : Kd1 =1 làm cho
Kd1(14) =1 sẵn sang cấp điện cho K1c41 và K2c41, đồng thời Kd1(7) =1 dẫn đến
Kc1 = 1.
Kc1(4) = 1 cấp nguồn stato cho 2 động cơ truyền động K2m1 và K2m2 quay
theo chiều phải.

14
Mạch roto của 2 động cơ điều hở 1 pha nên động cơ làm việc ở chế độ điện
trở roto không đối xứng nên mômem động cơ tạo ra đủ nhỏ, tốc độ chậm.
Tốc độ 2 quay phải
Khi đưa tay điều khiển Kb3 về vị trí số 2 chiều quay phải Kb3 =1 .
Mạch điện stato được cấp điện giống vị trí số 1. Ở mạch roto lúc này có
them K1c40 = 1 và K2c40 = 1 làm cho K1c40(7) = 0 và K240(9) = 0 bảo vệ động
cơ khi có
Các công tắc tơ K1c41(1) và K2c41(3) = 1 loại điện trở phụ U
0
U
1
, V
0
V
1
,
W
0
W
1
,ra khỏi mạch ro to, tốc độ động cơ tiếp tục tăng lên .
Tốc độ 4 quay phải
Khi đưa tay điều khiển Kb3 về vị trí số 4 chiều quay phải Kb3 = 1.
Mạch điện stato của các động sự cố đồng thời K1c40(1) = 1 và K2c40(3) = 1
lúc này điện trở mạch roto được nối đối xứng U
0
U
1
= V

0
V
1
= W
0
W
1
, tốc độ động
cơ tăng lên.
Tốc độ 3 quay phải
Khi đưa tay điều khiển Kb3 về vị trí số 3 chiều quay phải Kb3 = 1.
Mạch điện stato của 2 động cơ giống vị trí số 2, K1c41 = 1 , K2c41 = 1 làm
cho K1c41(23) = 0 và K2c41(23) = 0 dẫn đến Kd43 = 0 duy trì thời gian sau
khoảng 2(s) thì Kd43(16) =1 .cơ giống vị trí số 3, mạch điện roto lúc này K1c42 =
1 và K2c42 = 1 làm cho K1c42(24) = 0 làm cho rơle thời gian Kd44 = 0 sau
khoảng thời gian duy trì 1,5(s) thì Kd44(17) = 1; K1c42(1) = 1, K2c42(3) = 1 loại
tiếp điện trở U
1
U
2
, V
1
V
2
, W
1
W
2
ra khỏi mạch điện roto tốc độ động cơ tăng lên.
Sau thời gian duy trì 1,5(s) thì Kd44(18) = 1 làm cho K1c43 = 1 và K2c43 =

1 tiếp tục loại nấc điện trở phụ U
2
U
3
, V
2
V
3
, W
2
W
3
ra khoải mạch ro to tốc độ
động cơ tiếp tục tăng lên.
Khi điều khiển cơ cấu quay mâm quay trái các bước thực hiện tương tự như
điều khiển cơ cấu quay phải, cần chú ý rằng công tắc tơ cấp nguồn cho mạch stato
15
lúc này là Kc2 = 1 , đổi chiều quay bằng cách đổi thứ tự pha điện áp mạch stato.
Mạch điện roto thứ tự loại trừ điện trở phụ hoàn toàn giống chiều quay phải.
Khi chuyển nhanh tay điều khiển từ vị trí 1 đến vị trí 4 và từ vị trí 4 về vị trí
1, nhờ sự duy trì của các rơle thời gian Kd43 và Kd44 mà tốc độ không tăng đột
ngột.
Cơ cấu phanh dừng ( hình 2.3.b ) được thực hiện khi đạp chân phanh
( K6=1 ) . Trước khi thực hiên chế độ phanh thì người điều khiển phải đưa tay điều
khiển Kb3 về vị trí 0 . Đồng thời đóng các cầu dao K2, K1 ( tùy vào từng tốc độ
của động cơ mà ta đóng cầu dao K3, K4, K5 để điều chỉnh dòng hãm ) đưa dòng
điện 1 chiều vào stato của 2 động cơ tạo ra chế độ hãm.
3.4. CÁC BẢO VỆ CẦN CÓ CHO CƠ CẤU QUAY
1. Bảo vệ quá tải cho các động cơ thực hiện bằng các rơle nhiệt K1e1 và K2e1.
2. Bảo vệ ngắn mạch bằng các cầu chì Ke1 .

3. Bảo vệ “không” được thực hiện trong sơ đồ cấp nguồn.
4. Bảo vệ góc quay ( thường góc quay làm việc trong giới hạn 60
0
÷ 120
0
)
3.5. SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU QUAY
16
Oh2=1
Oh1=0
OP5=0
K1c1=1
Đ
S
K2c1=1
Đ
S
Kd41=0
Kc2=0
1
S
Đ
Kb3.4=1
Kd43=0
T0=2s
Đ
S
K2c41=1K1c41=1
Kc1=0
S

S
Đ
Đ
K2c40=1
K1c40=1
Kb3.3=1
Kb3.2=1
S
Đ
OP5=1
S
S
Đ
Start
Đ
Kb3.1P=1
Kd2=1
Kc2=1
K1m1T=1
Kd42=0
K2m1T=1
K2m1P=1
K1m1P=1
Kc1=1
Kd1=1
Kb3.1P=1
17
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG PLC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU QUAY MÂM VÀ
HỆ THỐNG CẤP NGUỒN CỦA CẦN TRỤC KONE
4.1. GIỚI THIỆU VỀ S7-300

PLC là chữ viết tắt của Programmable Logic Control, là thiết bị điều khiển
logic lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic
thông qua một ngôn ngữ lập trình. Như vậy, với chương trình điều khiển trong
mình, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc
biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh( với các PLC khác hoặc với
máy tính ). Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC
dưới dạng các khối chương trình và được thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét.
Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính
năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều
hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên phải có cổng
vào/ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi với môi trường
Thông thường, để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần
lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại
tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng
hoá về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành các module. Số các số module được
sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, song tối thiểu bao giờ cũng phải có
một module chính là module CPU. Các module còn lại là các module nhận/truyền
18
tín hiệu với đối tượng điều khiển, các module chức năng chuyên dụng như PID,
điều khiển động cơ. Chúng được gọi chung là module mở rộng. Tất cả các module
được gá trên thanh ray (Rack). Module CPU xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm
phục vụ bài toán điều khiển số, PLC cần phải có các khối chức năng đặc biệt khác
như bộ đếm (Counter), Bộ thời gian (Timer) và những khối hàm chuyên dụng
4.1.1 Các module của PLC S7-300
Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các
bộ thời gian, bộ đếm cổng truyền thông (RS485) và có thể có một vài cổng vào ra
số. Các cổng vào ra số có trên module CPU được gọi là cổng vào ra onboard
Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module CPU khác nhau. Nói chung
chúng được đặt tên theo bộ xử lý có trong nó như module CPU312, module
CPU314, module CPU315…

Những module cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về
cổng vào/ra onboard cũng như các khối làm việc đặc biệt được tích hợp sẵn trong
thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng cổng vào/ra onboard này sẽ được
phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM.
Ngoài ra còn có các loại module CPU với hai loại cổng truyền thông, trong
đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân
tán. Tất nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những phần mềm thông
dụng thích hợp cũng đã được cài sẵn trong hệ điều hành. Các loại module CPU
được phân biệt với những module CPU khác bằng thêm cụm từ DP trong tên gọi
4.1.2. Vòng quét chương trình
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là
vòng quét . Mỗi vòng quét được bắt đầu 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.
19
Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết
thúc của khối OB1 (Block End). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn
thực chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số.
Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm lỗi
Vòng quét chương trình
Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan đến cổng vào/ra tương tự nên các
lệnh truy cập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không
thông qua bộ đếm.
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện một vòng quét gọi là thời gian vòng
quét . Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng
được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Có vòng quét được thực
hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương
trình được thực hiện, vào số lượng dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó.
Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi
tín hiệu điều khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian
vòng quét. Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của

chương trình điều khiển trong PLC . Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời
gian thực hiện chương trình càng cao.
Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ như khối
OB40,OB80, chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện trong vòng quét khi
20
xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại. Các khối chương trình này có thể
được thực hiện tại mọi điểm trong vòng quét chứ không bị gò ép là phải ở trong
giai đoạn thực hiện chương trình. Chẳng hạn nếu một tín hiệu báo ngắt xuất hiện
khi PLC đang ở 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 ứng với tín hiệu
báo ngắt đó. Với hình thức xử lý tín hiệu ngắt như vậy, thời gian vòng quét càng
lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện trong vòng quét. Do đó, để nâng cao
tính thời gian thực cho chương trình điều khiển, tuyệt đối không được viết chương
trình xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt trong chương
trình điều khiển.
Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc trực
tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham
số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 3 do
hệ điều hành CPU quản lý. Ở một số module CPU, khi gặp lệnh vào/ra ngay lập
tức, hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình ngắt, để thực
hiện lệnh trực tiếp với cổng vào/ra.
4.1.3 Cấu trúc chương trình
Chương trình cho S7-300 được lưu trong bộ nhớ của PLC ở vùng dành riêng
cho chương trình và có thể được lập với hai dạng cấu trúc khác nhau:
+ Lập trình tuyến tính: Toàn bộ chương trình điều khiển nằm trong một khối
trong bộ nhớ. Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp những với bài toán tự
động nhỏ, không phức tạp. Khối được chọn phải là khối OB1, là khối mà PLC
luôn quét và thực hiện các lệnh trong nó thường xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh
cuối cùng và quay lại lệnh đầu tiên
21

Vòng quét
Lệnh 1
Lệnh 2
Lệnh cuối cùng
OB1

+ Lập trình có cấu trúc:
Chương trình được chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và
những phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau. Loại hình cấu
trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiệm vụ và phức tạp. Mỗi khi
xuất hiện một tín hiệu báo ngắt hệ thống sẽ tạm dừng công việc đang thực hiện
lại, chẳng hạn tạm dừng việc thực hiện chương trình trong OB1, và chuyển sang
thực hiện chương trình xử lý trong ngắt trong các khối OB tương ứng. Ví dụ khi
đang thực hiện OB1 mà xuất hiện tín hiệu ngắt báo sự cố truyền thông, hệ thống
sẽ tạm dừng việc thực hiện OB1 lại để gọi và thực hiện chương trình trong khối
OB87. Chỉ sau khi đã thực hiện xong chương trình trong OB87, hệ thống sẽ quay
trở về tiếp tục phần chương trình còn lại trong OB1.
Cấu trúc một chương trình (có cấu trúc)
OB = Organization Block
FC = Function
FB = Function Block
22

OB
Organization
Block
FB
FB
FC
FB

SFB
SFC
DB
DB
DB
DB
SFB = System Function Block
SFC = System Function
SDB = System Data Block
DB = Data Block
Khác với kiểu lập trình tuyến tính, kỹ thuật lập trình có cấu trúc (structure
programming) là phương pháp lập trình mà ở đó toàn bộ chương trình điều khiển
được chia nhỏ thành các khối FC hay FB mang một nhiệm vụ cụ thể riêng và
được quản lý chung từ những khối OB Kiểu lập trình này rất phù hợp cho bài
toán điều khiển phức tạp, nhiều nhiệm vụ cũng như cho việc sửa chữa, gỡ rối sau
này.
4.1.4 Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng
Trong trạm PLC luôn có sự trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở
rộng thông qua bus nội bộ. Ngay tại đầu vòng quét, các dữ kiện tại cổng vào của
các module số (DI) đã được CPU chuyển tới bộ đệm vào số. Cuối mỗi vòng quét
nội dung của bộ đệm ra số lại được CPU chuyển đến cổng ra của các module ra số
(DO). Việc thay đổi nội dung hai bộ đệm này được thực hiện bởi chương trình
ứng dụng. Điều này cho thấy nếu trong chương trình ứng dụng có nhiều lệnh đọc
giá trị cổng vào số thì cho dù giá trị logic thực có của cổng vào này có thể đã bị
thay đổi trong quá trình thực hiện vòng quét, chương trình sẽ vẫn luôn đọc được
cùng một giá trị từ I và giá đó chính là giá trị của cổng vào có tại thời điểm đầu
vòng quét. Cũng như vậy , nếu chương trình ứng dụng nhiều lần thay đổi giá trị
cho một cổng ra số thì do nó chỉ thay đổi cuối cùng mới thực hiện được đưa tới
cổng ra vật lý của module DO.
Khác hẳn với việc đọc /ghi cổng số, việc truy nhập cổng vào/ra tương tự lại

được CPU thực hiện trực tiếp với module mở rộng (AI/AO). Như vậy mỗi lệnh
23
đọc giá trị từ địa chỉ thuộc vùng PI sẽ thu được một giá trị đúng bằng giá trị thực
có ở cổng tại thời điểm thực hiện lệnh. Tương tự khi thực hiện lệnh gửi một giá trị
(số nguyên 16 bit) tới địa chỉ của vùng PQ, giá trị đó sẽ được gửi ngay tới cổng ra
tương tự của module
Tuy nhiên miền địa chỉ PI và PQ lại được cung cấp nhiều hơn là số các cổng
vào ra tương tự của một trạm. Chẳng hạn, thực chất các cổng vào tương tự chỉ có thể
có là từ địa chỉ PIB256 đến địa chỉ PIB767 nhưng miền địa chỉ của PI và PQ lại từ 0
đến 65535. Điều này tạo ra khả năng kết nối các cổng vào/ra số với những địa chỉ dôi
ra đó trong PI/PQ giúp chương trình ứng dụng có thể truy nhập trực tiếp các module
DI/DO mở rộng để có được giá trị tức thời tại cổng mà không thông qua bộ đệm I và
Q.
4.1.5. Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình PLC
Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ
các đối tượng sử dụng khác nhau. PLC S7-300 có ba ngôn ngữ lập trình cơ bản.
Đó là:
- Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu là STL (Statement lits). Đây là dạng ngôn ngữ
lập trình thông thường của máy tính. Một chương trình được ghép bởi nhiều câu
lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu trúc
chung “tên lệnh” + “toán hạng”.
- Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu là LAD (Ladder logic). Đây chính là dạng ngôn
ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển logic.
- Ngôn ngữ “hình khối”, ký hiệu FBD (Function block diagram). Đây cũng là kiểu
ngôn ngữ đồ hoạ dành cho những người có thói quen thiết kế mạch điều khiển số.
24
Một chương trình viết trên LAD hoặc FBD có thể chuyển sang được dạng
STL, nhưng ngược lại thì không. Trong STL có nhiều lệnh không có trong LAD
hay FBD.
a. Trình tự chung của việc viết chương trình điều khiển

Để viết chương trình (lập trình) điều khiển cho hệ thống sử dụng bộ điều
khiển PLC cần theo các bước sau:
1. Xác định chức năng của hệ thống điều khiển:
Đầu tiên chúng ta phải quyết định thiết bị hoặc hệ thống nào mà chúng ta
muốn điều khiển một hay nhiều phần tử thực hiện của đối tượng. Để xác định chức
năng của hệ thống điều khiển chúng ta cần xác định thứ tự hoạt động thông qua
việc mô tả bằng lưu đồ.
2. Xác định các đầu vào và đầu ra:
Tất cả các thiết bị đầu vào và đầu ra bên ngoài được nối với bộ điều khiển
được lập trình hoá phải được xác định. Những thiết bị đầu vào là những chuyển
mạch, cảm biến, nút ấn, tay điều khiển .Những thiết bị đầu ra là những thiết bị
như van điện từ, các đèn chỉ báo, chuông
Sau việc nhận dạng các thiết bị chủng loại đầu vào và đầu ra đó, chúng ta
tiến hành lựa chọn cấu hình PLC và các khối mở rộng một cách phù hợp. Gán đầu
vào (INPUT) và đầu ra (OUTPUT) tương ứng với PLC đã chọn.
3. Quan hệ vào/ra và việc đơn giản hàm chức năng:
Từ lưu đồ hoạt động, ta tiến hành xây dựng mạch logic điều khiển theo quan
hệ đầu vào/ra. Viết hàm chức năng từ mạch logic, sau đó có thể thực hiện đơn giản
hoá hàm trong trường hợp có thể.
4. Viết chương trình:
25
LAD FBDSTL