Thiết kế hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ lò sấy điện trở PID bằng PLC S71200 có chương trình

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VỀ LÒ SẤY
VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐINH NHIỆT ĐỘ LÒ SẤY
1.1 . Giới thiệu về lị sấy cơng nghiệp
* Phân loại thiết bị hệ thống sấy – máy sấy công nghiệp
Trên thị trường Việt Nam hiện nay có rất nhiều loại cơng nghệ sấy đi cùng với các
thiết bị sấy như:
 Băng tải, băng chuyền
 Buồng sấy, phòng sấy, hầm sấy
 Tháp sấy
 Hệ thống sấy thùng quay
 Hệ thống sấy phun, hệ thống sấy tầng sơi
 Tủ sấy, lị sấy cơng nghiệp
Mỗi thiết bị là mỗi một nguyên lý, chức năng khác nhau. Doanh nghiệp và người sử
dụng phải tìm hiểu kỹ lưỡng để lựa chọn công nghệ và máy sấy cho phù hợp với
nguyên vật liệu, mức độ sản xuất và đầu tư của mình
* Phân loại nguyên liệu và vật liệu sấy
Sự đa dạng về kiểu sấy, đa dạng về chủng loại của các loại máy sấy công nghiệp
hiện đại cùng những lợi ích vược bậc mà chúng mang lại đã đáp ứng được yêu cầu
trong rất nhiều lĩnh vực của doanh nghiệp và người dùng, từ những nguyên liệu phổ
biến như sấy sản phẩm nông nghiệp cho đến những sản phẩm công nghiệp.
 Sấy khô hoa quả, trái cây rau củ sấy giòn, trái cây sấy dẻo, các loại mứt sấy dẻo
 Sấy hạt, ngũ cốc, sấy nông sản, lúa, ngô, cà phê, tiêu, điều, trà
 Sấy bún, mì, phở, nui, hủ tiếu, bánh tráng, cơm cháy
 Sấy khô thủy hải sản, khô thịt, trứng
 Sấy các loại gia vị.
 Sấy thành dạng bột.
 Sấy dược liệu, thảo dược, thảo mộc sấy khô, các loại nấm, thuốc bắc, thuốc
nam..
 Sấy các loại hoa, sấy khô làm thức uống detox.

 Sấy sâu, sấy nhộng, các loại côn trùng, sấy thức ăn thực vật cho gia súc.
 Sấy gỗ, sấy sơn, sấy gạch.
 Sấy dụng cụ, vật liệu, khuôn, thùng, bao bì nhựa - ni lơng, bao gói, ống hút.
 Tủ rã đông, khử trùng thanh trùng.

* Các công nghệ hiện đại của các loại lị sấy cơng nghiệp – tủ sấy – máy sấy công
nghiệp công suất lớn
Với sự địi hỏi ngày càng khắt khe của thị thường thì những cơng ty chun sản
xuất các loại tủ sấy, lị sấy và máy sấy công nghiệp cũng cho ra nhiều công nghệ sấy
công nghiệp với công suất và phạm vi ứng dụng rộng rãi hơn rất nhiều như sấy nhiệt,
sấy đối lưu tuần hoàn, sấy phun, sấy bức xạ, sấy bằng điện trường dịng cao tần, sấy
tầng sơi, nhưng nhìn chung đều đem lại những hiệu quả và giá trị to lớn cho doanh
nghiệp. Hãy cùng E-MART tìm hiểu qua về các công nghệ sấy hiện đại của các loại
máy sấy công nghiệp và phổ biến nhất hiện nay để lựa chọn cho mình thiết bị phù hợp
nhất cho doanh nghiệp của bạn.
Công nghệ sấy hồng ngoại


Cơng nghệ sấy IR hay cịn gọi là sấy hồng ngoại là loại máy sấy công nghiệp sử
dụng lượng nhiệt sinh ra từ tia hồng ngoại để làm khô sản phẩm cần sấy. Phương pháp
này thường được thấy chủ yếu dưới dạng hình thức tủ sấy, băng chuyền, phịng sấy
hay buồng sấy. Với ứng dụng công nghệ từ đèn sấy hồng ngoại, phương pháp này đã
mang lại những hiệu quả lớn từ tiết kiệm năng lượng, hiệu quả cao, hơi nhiệt dễ chịu,
chỉ làm nóng vật liệu sấy, khơng ảnh hưởng đến mơi trường khơng khí xung quanh.
Cơng nghệ sấy vi sóng

Cơng nghệ sấy vi sóng là cơng nghệ sử dụng sóng viba để áp dụng cho quy mơ sản
xuất lớn và có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: Công nghiệp thực
phẩm, nông nghiệp, tiệt trùng sản phẩm, hóa dược cho đến những ngành cơng nghiệp
đòi hỏi phải xử lý ở nhiệt độ cao, khối lượng và kích thước tương đối lớn như sấy keo,

sản xuất gỗ, chế biến cao su, gốm sứ, than đá và các ngành công nghiệp khác. Ưu điểm
của công nghệ sấy vi sóng là nhiệt được thâm nhập bằng những tia sóng siêu nhỏ, siêu


nhanh đi từ trong lõi sản phẩm sấy ra bên ngoài bề mặt khiến cho tất cả các thành phần
trong sản phẩm đều được làm khô trong thời gian rất ngắn.
Đối với các ngành nơng sản, thực phẩm, hóa dược: Phương pháp này không chỉ
giúp tiết kiệm điện năng mà còn giữ lại hầu hết các chất dinh dưỡng, chất lượng và
màu sắc ban đầu của sản phẩm. Đảm bảo khả năng lưu trữ sản phẩm được tốt hơn. Bên
cạnh đó, sóng siêu cao tần cịn có thể tiêu diệt được các loại vi khuẩn gây hại cho con
người như E.coli và Salmonella có trong nơng sản, thực phẩm.
Đối với chế tác gỗ, gốm sứ, cao su, than đá: Công nghệ vi sóng khiến sản phẩm
hấp thụ được một lớp nhiệt đồng đều, tạo ra sản phẩm có độ bền trải đều bề mặt, rút
ngắn thời gian sấy.
Công nghệ sấy chân khơng

Sấy chân khơng là cơng nghệ sấy kín dành cho các sản phẩm không chịu được
nhiệt độ cao hay dễ bị oxy hóa, được hoạt động nhờ sự chênh lệch áp suất hơi nước
trên bề mặt của sản phẩm đối với môi trường xung quanh. Sản phẩm sấy được tách ẩm
trong buồng chân không và được truyền nhiệt thông qua bức xạ nhiệt từ vỏ thùng sấy,
hơi ẩm được bơm chân khơng hút ra ngồi theo chu kỳ. Máy sấy chân khơng địi hỏi


vốn cố định và vốn lưu động cao hơn máy sấy làm việc ở áp suất thường, nhưng nó tạo
ra những sản phẩm có chất lượng tốt hơn.
Ở mơi trường áp suất nhỏ nước sẽ sôi ở nhiệt độ rất thấp khoảng 30-40 độ C. Khi
nước sôi đồng nghĩa với sự bốc hơi nước diễn ra rất nhanh làm cho vật sấy khô nhanh
hơn với sấy nhiệt thông thường. Sản phẩm sấy chân khơng đều có nhiệt độ sấy thấp
nên giữ nguyên được hương vị, màu sắc cũng như các tính chất đặc trưng của sản
phẩm. Thành phẩm sau khi sấy sẽ có độ ẩm rất thấp chỉ từ 1-3%. Vì vậy thời gian bảo

quản được lâu hơn.
Cơng nghệ sấy thăng hoa

Đây được xem là công nghệ tiên tiến nhất hiện nay cùng với mức đòi hỏi đầu tư
cao, phương pháp cịn có tên gọi là sấy lạnh đơng (Freeze Drying hay Lyophillisation).
Đây phương pháp tách ẩm ra khỏi vật sấy bằng sự thăng hoa của nước, chuyển trực
tiếp từ thể rắn sang thể hơi. Quá trình sấy thăng hoa bao gồm hai giai đoạn là làm lạnh
đông và tiếp theo là sấy khô bằng chân không thấp. Phương pháp sấy thăng hoa chỉ
chủ yếu sử dụng đối với các nguyên liệu đắt tiền, hay những sản phẩm mà không thể
sấy được bằng các phương pháp khác. Bên cạnh đó khơng phải bất kỳ ngun liệu nào
cũng có thể sấy bằng phương pháp lạnh đông.
Sản phẩm sấy thăng hoa lưu giữ được kết cấu tốt, đặc tính cảm quan và chất lượng
dinh dưỡng, thời gian bảo quản dài khi được bao gói đúng cách. Những thay đổi của
thiamin và axit ascorbic trong quá trình sấy thăng hoa ở mức vừa phải và sự thất thốt
của các vitamin khác khơng đáng kể.


Công nghệ sấy năng lượng mặt trời
Phương pháp sấy khô sản phẩm bằng các năng lượng mặt trời là một trong những
công nghệ sấy đầy tiềm năng bởi năng lượng mặt trời là một nguồn cung cấp nhiệt rất
lớn, vô hạn và hồn tồn miễn phí. Việt Nam là một nước có tiềm năng về sử dụng
cơng nghệ sấy năng lượng mặt trời bởi bức xạ mặt trời không chỉ nhiều mà gần như
luôn ổn định quanh năm.
Ba dạng thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời phổ biến có thể kể đến như hệ thống sấy
trực tiếp tuần hoàn khí tự nhiên gồm thiết bị thu năng lượng kết hợp với buồng sấy, hệ
thống sấy trực tiếp có bộ phận thu năng lượng riêng biệt, và hệ thống sấy gián tiếp có
dẫn nhiệt cưỡng bức với thiết bị thu năng lượng và buồng sấy riêng biệt.

1.2 Giới thiệu về đối tượng và phương pháp điều khiển
1.2.1 Giới thiệu

Nhiệt độ là một đại lượng vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lĩnh vực,
trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt. Nhiệt độ trở nên là mối quan tâm hàng
đầu cho các nhà thiết kế máy và điều khiển nhiệt độ trở thành một trong những mục
tiêu của ngành Điều Khiển Tự Động.
Trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế, vấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ là một q
trình khơng thể thiếu được, nhất là trong cơng nghiệp. Đo nhiệt độ trong công nghiệp
luôn gắn liền với quy trình cơng nghệ của sản xuất, việc đo và kiểm soát nhiệt độ tốt
quyết định rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm trong các ngành công nghiệp thực
phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ, công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong....
Tùy theo tính chất, yêu cầu của q trình mà nó địi hỏi các phương pháp điều
khiển thích hợp. Tính ổn định và chính xác của nhiệt độ cũng đặt ra các vấn đề cần
phải giải quyết.
Một điều cần thiết là ta phải khảo sát kỹ đối tượng cung cấp nhiệt mà ta cần phải
điều khiển để dẫn đến mơ hình tốn học cụ thể. Từ đó chúng ta sẽ giải quyết bài toán
điều khiển trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu.


Hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể phân làm hai loại : hệ thống điều khiển hồi
tiếp (feedback control system) và hệ thống điều khiển tuần tự (sequence control
system).
 Điều khiển hồi tiếp thường được xác định và giám sát kết quả điều khiển, so
sánh nó với yêu cầu thực thi (ví dụ điểm đặt) và tự động điều chỉnh đúng.
 Điều khiển tuần tự thực hiện từng bước điều khiển tùy theo hoạt động điều
khiển trước khi xác định tuần tự.
Một hệ thống muốn chính xác cần phải thực hiện hồi tiếp tín hiệu về so sánh với
tín hiệu vào và đầu ra sẽ được gởi đến bộ điều khiển hiệu chỉnh đầu ra. Hệ thống điều
khiển hồi tiếp có nhiều ưu điểm nên thường được sử dụng trong các hệ thống tự động.
Các phương pháp điều khiển khác nhau nhưng nguyên tắc điều khiển là giống
nhau. Một hệ thống điều khiển nhiệt độ dựa trên nguyên tắc hệ thống hồi tiếp có dạng
tổng qt như hình dưới đây:

Nhiệt độ đặt

Bộ điều khiển
(ON-OFF, PID,…)

Bộ phận gia nhiệt
(mạch công suất)

Nhiệt độ

Cảm biến nhiệt
độ

Dạng tổng quát của một hệ thống hồi tiếp

Đây là một hệ thống hồi tiếp qua bộ cảm biến cho tín hiệu đo lường nhiệt độ về
so sánh với giá trị đặt, sai lệch giữa tín hiệu đặt và đo sẽ được đưa tới bộ điều khiển
tạo tín hiệu điều khiển cơng suất cấp cho bộ phận gia nhiệt. Như vậy các phương pháp
điều khiển khác nhau về bản chất là do các bộ điều khiển khác nhau tạo nên.

1.2.2 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ
A) Điều khiển ON/OFF
Sơ đồ điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp ON-OFF được thể hiện qua hình
dưới:


u

w(k)

e(k)

-∆

umax
∆ e

u(k)

Lò Nhiệt

y(k)

umin
Khâu Relay
Sơ đồ điều khiển lò nhiệt

Nguyên lý làm việc:
Phương pháp điều khiển ON-OFF còn được gọi là phương pháp đóng ngắt hay
dùng khâu relay có trễ: cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung cấp năng lượng ở
mức tối đa cho thiết bị tiêu thụ điện năng (lò nhiệt) nếu nhiệt độ đặt w(k) lớn hơn nhiệt
độ đo y(k), ngược lại mạch điều khiển sẽ ngắt mạch khơng tiếp tục cung cấp điện năng
cho lị nữa khi nhiệt độ đặt w(k) nhỏ hơn nhiệt độ đo y(k).
Một vùng trễ được đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt như sơ đồ khối ở trên:
nguồn chỉ đóng khi sai số e(k) > ∆ và ngắt khi e(k) < - ∆. Như vậy, nhiệt độ đo y(k) sẽ
dao động quanh giá trị đặt w(k) và 2∆ còn được gọi là vùng trễ của rơ le.
Khâu rơle có trễ còn gọi là mạch so sánh Smith trong mạch điện tử và như vậy ∆
là giá trị thềm hay ngưỡng.
Đặc tính của phương pháp điều khiển ON-OFF cho bởi hình dưới:

Đặc tính điều khiển của điều khiển ON – OFF

Điều khiển ON-OFF có ưu điểm là:


 Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống ln hoạt động được với mọi
tải.
 Tính tốn thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng.
 Điều khiển ON-OFF tốt nhất cho hệ thống điều khiển khi nhiệt độ tăng lên
chậm và sai phân G giữa cân bằng nhiệt khi ngõ ra là ON và khi ngõ ra OFF
là nhỏ.
Nhưng có nhược điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động
quanh nhiệt độ đặt và thay đổi theo tải. Khuyết điểm này có thể được hạn chế khi giảm
vùng trễ bằng cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử ở mạch cơng suất.
B ) Điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P)
Đây là hình thức điều khiển tốt hơn điều khiển ON – OFF bằng cách cung cấp
năng lượng cho lò nhiệt dựa vào sự khác biệt về nhiệt độ giữa nhiệt độ thực tế của đối
tượng và nhiệt độ đặt, với KP được xem là độ khuếch đại tỷ lệ của bộ điều khiển.
W = Kp.(TS – TO)

(2.7)

Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P)

Ta thấy hệ số khếch đại KP càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ tuy nhiên đáp ứng
của hệ thống càng dao động, độ vọt lố càng cao. Nếu KP tăng quá giới hạn thì hệ thống
sẽ trở nên mất ổn định. Do đó khơng thể có sai số của hệ thống bằng 0 và cũng không
thể tăng hệ số khếch đại lên vô cùng.

C ) Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD)
Vấn đề về tính ổn định và quá tầm trong điều khiển tỷ lệ với độ khuếch đại lớn,
có thể được giảm đi khi thêm vào đó là khâu vi phân cho tín hiệu sai số.
d


W Kp.   TS  TO   TD .  TS  TO  
dt



(2.8)

Với KD = KP .TD; TD : là thời hằng vi phân của bộ điều khiển PD
Kỹ thuật đó được gọi là kỹ thuật điều khiển PD. Khâu vi phân có thể hiệu chỉnh
khả năng đáp ứng sự thay đổi tại nhiệt độ đặt, đó là giảm độ vọt lố , đáp ứng ra c(t) bớt
nhấp nhô hơn, được biểu diễn ở hình sau:

Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1

Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ thống khi thay đổi giá trị TD và giữ hệ số KP
bằng hằng số. Ta thấy TD càng lớn thì đáp ứng càng nhanh, thời gian lên càng ngắn.
Tuy nhiên, nếu thời gian lên nhanh quá thì sẽ dẫn đến vọt lố mặc dù đáp ứng khơng có
dao động.
Bộ hiệu chỉnh PD không thể thực hiện bằng các linh kiện mạch thụ động, có thể
dùng khếch đại thuật tốn, điện trở và tụ điện. Nhược điểm của bộ PD này là rất nhạy
về nhiễu vì bản thân bộ PD là mạch lọc thông cao, với độ lợi lớn hơn 1 sẽ làm tăng sự
ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu.
D) Điều khiển bằng khâu tích phân tỉ lệ (PI)

Vấn đề về sai số xác lập có thể khắc phục bằng hiệu chỉnh PI. Hiệu chỉnh PI có
tác dụng làm chậm đáp ứng quá độ, tăng độ vọt lố, giảm sai số xác lập. Do hệ số khếch
đại của khâu PI bằng vô cùng tại tần số bằng 0 nên khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số
đối với tín hiệu vào là hàm nấc của hệ thống khơng có khâu tích phân lý tưởng bằng 0
(hệ vơ sai bậc 1). Ngoài ra khâu PI là một bộ lọc thơng thấp nên nó cịn có tác dụng
triệt tiêu nhiễu tần số cao tác động vào hệ thống.
t


1
W Kp.  e( )  .e( )d 
TI 0



Với:

(2.9)

e( ) = TS –T0
Ki = Kp/TI, TI là thời hằng tích phân của bộ điều khiển PI

Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1

Khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số xác lập của hệ thống đối với tín hiệu vào là
hàm nấc bằng 0. Tuy nhiên khâu hiệu chỉnh PI lại làm cho hệ thống kém ổn định do
làm tăng thời gian xác lập.
Dựa trên đáp ứng quá độ của hệ thống khi giảm thời hằng tích phân TI thì độ vọt

lố của hệ thống càng cao, hệ thống càng chậm xác lập. Vậy hằng số thời hằng tích
phân TI ta nên cho giá trị lớn nhằm hạn chế độ vọt lố. Tuy vậy khi TI bằng hằng số thì
ảnh hưởng của P đến chất lượng của hệ thống chính là ảnh hưởng của khâu khếch đại,
P càng tăng thì độ vọt lố càng cao, tuy nhiên thời gian quá độ lại không thay đổi.


E) Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ (PID)
Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiều
loại đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong
bồn chứa,… Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì nó có khả năng triệt
tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các tham số bộ điều khiển
được chọn lựa thích hợp.
Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai
số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra vọt lố và trong vài trường hợp
là không chấp nhận được đối với mạch động lực. Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ
(PD) làm giảm độ vọt lố và đáp ứng ra bớt nhấp nhô hơn và hệ thống sẽ đáp ứng
nhanh hơn. Khâu tích phân tỉ lệ(PI) có mặt trong hệ thống sẽ dẩn đến sai lệch tĩnh triệt
tiêu( hệ vô sai). Muốn tăng độ chính xác ta phải tăng hệ số khuếch đại, song với mọi
hệ thống thực đều bị hạn chế và sự có mặt của khâu PI là bắt buộc. Khâu hiệu chỉnh vi
tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ưu điểm của khâu PI và PD, có khả năng tăng độ
dự trử pha ở tần số cắt, khử chậm pha. Sự có mặt PID ở vịng hồi tiếp có thể dẩn đến
sự dao động trong hệ do đáp ứng quá độ bị vọt lố bởi hàm Dirac (t).Các bộ hiệu chỉnh
PID được ứng dụng nhiều trong cơng nghiệp dưới dạng thiết bị điều khiển hay thuật
tốn phần mềm.
Do sự thơng dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho ra
đời các bộ điều khiển thương mại rất thông dụng.
Thực tế các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm số,
giản đồ Bode hay phương pháp giải tích rất ít được sử dụng do việc khó khăn trong
xây dựng hàm truyền đối tượng. Phương pháp phổ biến nhất để chọn tham số PID
thương mại hiện nay là phương pháp Ziegler-Nichols.

w(k)

e(k) Bộ điều khiển
PID

u(k)

Lò Nhiệt

Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID

y(k)


Bộ điều khiển PID có hàm truyền liên tục như sau:
G ( s) K p 



Ki
1
 K d s K p  1 
 TD s 
s
 TI s


(2.10)

Với các giá trị Kp, Ki, Kd là các hằng số thực.
Phương trình vi tích phân mơ tả sự tương quan giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu
sai lệch e(t) của bộ điều khiển PID là:
u(t )=K P .e (t )+K D .

Trong đó:

de(t )
+K I . e(t ). dt
dt

(2.11)

e(t) là sai lệch trong hệ thống e(t) = r(t) – c(t).
r(t) và c(t) là tín hiệu vào và đáp ứng ra của hệ thống.

Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị Kp, Ki, Kd sao cho thoả mãn các yêu cầu về
chất lượng.
Ta có bảng so sánh giữa các phương pháp điều khiển như sau:


Các phương pháp

Ưu điểm

Khuyết điểm

điều khiển
Điều khiển ON-OFF

- Điều khiển đơn giản
- Không xảy ra offset

Hiệu chỉnh P

- Xảy ra quá tải và
hunting

- Quá tải và hunting

- Thời gian yêu cầu dài

nhỏ

đến khi biến điều
khiển được thiết lập
- Vọt lố xảy ra.

Điều khiển PI

- Loại bỏ sai xác lập

- Thời gian yêu cầu dài
hơn P cho đến khi biến
điều khiển được thiết
lập .

Điều khiển PD

- Đáp ứng nhanh

- Điều khiển này
khơng thể thực hiện
một mình
- Sai số xác lập ln
khác 0.

Hiệu chỉnh PID

- Có thể điều khiển tốt

- Đặt thơng số PID là

nhất

cần thiết

So sánh các phương pháp điều khiển


So sánh đáp ứng của hệ thống so với các bộ điều khiển


CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200
2.1 Giới thiệu PLC S7-1200
2.1.1 Giới thiệu chung
PLC S7-1200 ( Promamable Logic Controller) là những kết hợp I/O và các lựa
chọn cấp nguồn, bao gồm 9 module các bộ cấp nguồn cả VAC – hoặc VDC - các bộ
nguồn với sự kết hợp I/O DC hoặc Relay. Các module tín hiệu để mở rộng I/O và các
module giao tiếp dễ dàng kết nối với các mặt của bộ điều khiển. Tất cả các phần cứng

Simatic S7-1200 có thể được gắn trên DIN rail tiêu chuẩn hay trực tiếp trên bảng điều
khiển, giảm được khơng gian và chí phí lắp đặt.
Các module tín hiệu có trong các model đầu vào, đầu ra và kết hợp loại 8,16, và
32 điểm hỗ trợ các tín hiệu I/O DC, relay và analog. Bên cạnh đó, bảng tín hiệu tiên
tiến có trong I/O số 4 kênh hay I/O analog 1 kênh gắn đằng trước bộ điều khiển S71200 cho phép nâng cấp I/O mà không cần thêm không gian. Thiết kế có thể mở rộng
này giúp điều chỉnh các ứng dụng từ 10_I/O đến tối đa 284_I/O, với khả năng tương
thích chương trình người sử dụng nhằm tránh phải lập trình lại khi chuyển đổi sang
một bộ điều khiển lớn hơn. Các đặc điểm khác: bộ nhớ 50 KB với giới hạn giữa dữ
liệu người sử dụng và dữ liệu chương trình, một đồng hồ thời gian thực, 16 vòng lặp
PID với khả năng điều chỉnh tự động, cho phép bộ điều khiển xác định thơng số vịng
lặp gần tối ưu cho hầu hết các ứng dụng điều khiển q trình thơng dụng. Simatic S71200 cũng có một cổng giao tiếp Ethernet 10/100 Mbit tích hợp với hỗ trợ giao thức
Profinet cho lập trình, kết nối HMI/SCADA hay nối mạng PLC với PLC.
2.1.2 Đặc điểm của PLC S7-1200
Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7200. So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:
- S7-1200 là một dịng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm sốt
nhiều ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và một tập lệnh mạnh làm
cho chúng ta có những giải pháp hồn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200.


- S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn,
các đầu vào/ra (DI/DO).
- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương
trình điều khiển:
Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC.
Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình S7
1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.
Ngồi ra bạn có thể dùng các module truyền thong mở rộng kết nối bằng RS485
hoặc RS232.
- Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic. Step7 Basic hỗ trợ ba
ngơn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA

Portal 11 của Siemens.
- Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đã
bao gồm cả mơi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.
2.1.3 Phân loại
Việc phân loại S7-1200 dựa vào loại CPU mà nó trang bị: Các loại PLC thông
dụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C Thơng thường S7-1200 được phân ra
làm 2 loại chính:
Loại cấp điện220VAC:
- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC(từ 15VDC – 30VDC).
- Ngõ ra:Relay.
- Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra Relay. Do đó có thể sử dụng ngõ ra ở
nhiều cấp điện áp khác nhau (có thể sử dụng ngõ ra 0V, 24V, 220V…)
- Tuy nhiên, nhược điểm của nó là do ngõ ra Relay nên thời gian đáp ứng không
nhanh cho ứng dụng biến điệu độ rộng xung, hoặc Output tốc độcao…
Loại cấp điện áp 24VDC:


- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC - 30VDC).
- Ngõ ra: Transistor.
- Tuy nhiên, nhược điểm của loại này là do ngõ ra transistor nên chỉ có thể sử
dụng một cấp điện áp duy nhất là 24VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng
có cấp điện áp khác nhau. Trong trường hợp này, phải thông qua một Relay 24VDC
đệm.
Bảng 1.1: Các đặc điểm cơ bản của S7-1200

Đặc trưng
Kích thước (mm)
Bộ nhớ người dùng

CPU 1211C

CPU 1212C
90 x 100 x 75

CPU 1214C
110 x 100 x 75

Bộ nhớ làm việc

25 Kbytes

50 Kbytes

Bộ nhớ tải

1 Mbytes

2 Mbytes

Bộ nhớ sự kiện
Phân vùng I/O

2 Kbytes

2 Kbytes

Digital I/O
Analog I
Tốc độ xử lý ảnh
Modul mở rộng
Mạch tín hiệu

Modul giao tiếp
Bộ đếm tốc độ cao
Trạng thái đơn
Trạng thái đôi
Mạch ngõ ra
Thẻ nhớ
Thời gian lưu trữ khi mất điện
PROFINET
Tốc độ thực thi phép toán số

6 Inputs/4

8 Inputs/6

14 Inputs/10

Outputs

Outputs

Outputs

2 inputs
1024 bytes

2 inputs

2 inputs

And 1024 bytes (outputs)

(inputs)
None
2
8
1
3(left – side expansion)
4
6
3
3 – 100 kHz
3 – 100 kHz
3 – 100 kHz
1 – 30 kHz
3 – 30 kHz
3 – 80 kHz

3 – 80 kHz

3 – 80 kHz

1 – 20 kHz

3 – 20 kHz

2
Thẻ nhớ simatic (tùy chọn)
240 h
1 cổng giao tiếp ethernet

18 us

thực
Tốc độ thi hành
0.1 us
- Hình dạng bên ngồi (CPU 1214C)


Hình 2.1 Hình dạng bên ngồi của S7-1200 ( CPU 1214C)

CPU 1214C gồm 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, có khả năng mở rộng thêm 2 module
tín hiệu (SM), 1 mạch tín hiệu(SB) và 3 module giao tiếp (CM).
Các đèn báo trên CPU 1214C:
- STOP/RUN (cam/xanh): CPU ngừng/đang thực hiện chương trình đã nạp vào
bộ nhớ.
- ERROR (màu đỏ): màu đỏ ERROR báo hiệu việc thực hiện chương trình đã
xảy ra lỗi.
- MAINT (Maintenance): led cháy báo hiệu việc có thẻ nhớ được gắn vào hay
khơng.
- LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với tính thành cơng.
- Rx / Tx: Đèn vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền.
Đèn cổng vào ra:
- Ix.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào báo hiệu trạng thái tức thời của cổng
Ix.x. đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị của công tắc.
- Qx.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng
Qx.x. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.


2.1.4 : Cấu trúc bên trong PLC S7-1200
Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ
xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất/nhập.

Hình 2.2 : Cấu trúc bên trong của PLC S7-1200

- Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biên dịch
các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu
trong bộ nhớ của PLC. Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các
thiết bị xuất.
- Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24V) cần
thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất hoạt
động.
- Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển
dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý.
- Các thành phần nhập và xuất (input / output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ
các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển. Tín hiệu nhập có
thể từ các công tắc, các bộ cảm biến,… Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây của bộ
khởi động động cơ, các van solenoid,…
- Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình
hay bằng máy vi tính.