Cảnh báo mức nước dùng s7200 + em 235

Lời nói đầu:
Trong thực tế yêu cầu về đo mức chất lỏng xuất hiện trong nhiều lĩnh vực:
- Sản xuất nông nghiệp: đảm bảo lượng nước tưới tiêu cho cây trồng, đảm bảo
lượng nước trong các bể, hồ nuôi thủy hải sản
- Công nghiệp sản xuất rượu, bia
- Đo mức xăng, dầu trong khai thác dầu khí
- Khống chế mức nước trong thủy điện, nhiệt điện
- Đo mức chất lỏng trong các phòng thí nghiệm, xét nghiệm.
- Xử lý nước thải trong các nhà máy, thành phố
Tùy theo yêu cầu độ chính xác về mức chất lỏng trong từng ứng dụng mà lựa
chọn các loại cảm biến khác nhau. Có nhiều phương pháp đo mức : thổi bọt khí,
chênh áp, đo lực căng, phao nổi, công tắc khoảng hở, loadcell, độ dẫn điện, hạt nhân,
radar, RF Admittance, siêu âm, sóng viba, ….Phổ biến là hai loại cảm biến siêu âm,
cảm biến áp suất:
Các cảm biến này biến các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện analog, tín hiệu
điện được đưa về các bộ điều khiển, các bộ điều khiển này tính toán và đưa ra được
chiều cao mức nước trong thực tế.
Để đọc được tín hiệu Analog do cảm biến trả về ta có hai phương pháp khác nhau
đó là dùng vi điều khiển và dùng PLC. Bản chất của vi điều khiển và PLC là như
nhau vì nó cùng là bộ xử lí trung tâm làm nhiệm vụ phân tích và sử lí dữ liệu thu
được. Trong điều kiện công nghiệp thì PLC tỏ ra có ưu thế hơn nhờ vào độ bề cao,
chịu được điều kiện khắc nhiệt, độ ổn định cao và dễ lập trình điều khiển.
Vì vậy trong đồ án môn học này chúng em sẽ nghiên cứu ứng dụng PLC để đo,
điều khiển và cảnh báo mức nước trong bể sử dụng cảm biến alalog là module mở
rộng ADC của PLC.
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Mục đích
Trong khuôn khổ đề tài ứng dụng PLC để đo, điều khiển và cảnh báo mức nước
trong bể chúng ta cần giải quyết được những vấn đề sau:
- Tìm hiểu chung về PLC và loại PLC được sử dụng
- Tìm hiểu về các module mở rộng cho PLC được sử dụng trong đề tài

- Tìm hiểu về các loại cảm biến Alalog dùng để đo mức nước và loại được sử
dụng
- Xây dựng thuật toán điều khiển và chương trình điều khiển.
*) Phương pháp nghiên cứu:
Do đặc thù của đồ án nên việc hoàn thành sản phẩm và chạy thực tế sẽ gặp nhiều
khó khăn. Chúng em chọn phương án nghiên cứu dựa trên các tài liệu và kiến thức
trên mạng kết hợp với kiến thức học được của môn học để hoàn thiện phần lý thuyết
của đồ án, kết hợp mô phỏng từng phần dựa trên phần mềm mô phỏng trên máy tính.
1.2. Phương pháp đo.
Ngày nay trên thị trường có tới trên 20 loại cảm biến đo mức khác nhau; tìm được
một loại cảm biến phù hợp với điều kiện và yêu cầu là một điều không dễ dàng.
Trong khuôn khổ đồ án chúng em sẽ giới thiệu sơ lược về một số loại cảm biến đo
mức nước và loại cảm biến được chọn trong đồ án.
1.2.1. Cảm biến siêu âm
Bộ truyền siêu âm hoạt động dựa trên việc gửi một sóng âm, được phát ra từ bộ
biến năng áp điện, đến bề mặt của một vật liệu cần đo. Bộ truyền âm đo thời gian từ
lúc gửi tín hiệu cho tới khi nhận được tín hiệu phản hồi. Thành công của phép đo phụ
thuộc vào sóng, độ phản xạ từ vật cần đo. Những yếu tố như bụi, hơi nước (chất lỏng)
dày đặc; độ cản trở bình chứa, nhiễu loạn gây bởi bề mặt; những chất tạo bọt và thậm
chí là độ gồ ghề hoặc góc tạo bởi chùm sóng với bề mặt cần đo đều góp phần tạo
những thông tin không mong muốn ở tín hiệu phản hồi.
Lợi ích lớn nhất của công nghệ đo mức thông qua môi trường khí như siêu âm,
rada và laze là những thiết bị đo không tiếp xúc với vật cần đo (hình 3). Chỉ có một
vài điểm tín hiệu cần tiếp xúc với bề mặt chất cần đo nhằm tạo ra những tín hiệu phản
hồi về cảm biến. Điều này giải thích tại sao chất lượng không khí giữa bề mặt chất
lỏng với cảm biến luôn là vấn đề và tại sao chất lượng của bề mặt chất lỏng (hoặc
bình chứa) cần luôn được tính đến khi sản xuất và lắp đặt cảm biến vì mọi nhiễu loạn
về tín hiệu sẽ góp phần vào sai số của phép đo.
Như vậy, cảm biến đo mức dùng siêu âm là một giải pháp phù hợp cho những đối
tượng với những yêu cầu về hình dạng, môi trường ổn định và có thể biết trước. Khi

lắp đặt chúng ta không được quên rằng bộ phát siêu âm chỉ có hiệu quả khi cảm biến
đón nhận được tín hiệu phản hồi.
1.2.2. Rada dẫn sóng (GWR)
Rada dẫn sóng là phép đo tiếp xúc sử dụng đầu dò để dẫn sóng điện từ cao tần từ
bộ biến âm đến vật cần đo. GWR hoạt động dựa trên nguyên lý bộ phản xạ miền thời
gian (TDR). Với TDR, một xung sóng điện từ năng lượng thấp được dẫn dọc đầu dò.
Khi xung này tiếp xúc với bề mặt cần đo, năng lượng xung sẽ được phản xạ về đầu
dò và mạch đo sau đó phần xử lý tín hiện sẽ xử lý và tính toán mức chất lỏng hoặc
dòng dựa trên sự sai khác về xung gửi đi và xung nhận về. Cảm biến có thể xuất tín
hiệu ra là mức chất lỏng đã được phân tích thông qua hiển hiện tương tự; hoặc số.
Không giống như công nghệ truyền thống, GWR cho khả năng đọc phép đo độc
lập với những tính chất lý hóa của môi trường đo mà nó tiếp xúc. Thêm vào đó, GWR
hoạt động tốt trong cả môi trường lỏng và môi trường rắn. GWR phù hợp với nhiều
ứng dụng đo mức khác nhau.
1.2.3. Cảm biến áp suất.
Cảm biến áp suất ống đo áp suất tức thời trong ống phân phối và báo về ECU với
độ chính xác thích hợp và tốc độ đủ nhanh.
Cảm biến áp suất được đặt ở dưới đáy của bình. Nhiên liệu chảy vào cảm biến áp
suất ống thông qua một đầu mở và phần cuối được bịt kín bởi một màng cảm biến.
Thành phần chính của cảm biến là một thiết bị bán dẫn được gắn trên màng cảm biến,
dùng để chuyển áp suất thành tín hiệu điện. Tín hiệu do cảm biến tạo ra được đưa vào
một mạch khuyếch đại tín hiệu và đưa đến ECU.
Cảm biến hoạt động theo nguyên tắc:
Khi màng biến dạng thì lớp điện trở đặt trên màng sẽ thay đổi giá trị. Sự biến
dạng là do áp suất tăng lên trong hệ thống, sự thay đổi điện trở gây ra sự thay đổi điện
thế của mạch cầu điện trở.
Điện áp thay đổi được khuyếch đại bởi mạch khuyếch đại và thay đổi trong
khoảng từ 5mA đến 40mA. Sự thay đổi này sẽ được đọc bởi module mở rộng của
PLC để trả ra giá trị digital, tùy theo độ phân giải được chọn mà giá trị digital trả ra
có thể thay đổi.

Từ giá trị digital đọc được ta có thể tính được giá trị áp suất đáy bình. Áp dụng
công thức với P = áp suất đo được, ρ = khối lượng riêng, g = gia tốc trọng
lực, h = chiều cao của cột chất lỏng ta có thể tính ngược lại được chiều cao của cột
chất lỏng.
Việc kiểm soát một cách chính xác áp suất của ống là điều bắt buộc để hệ thống
hoạt động đúng. Đây cũng là nguyên nhân tại sao cảm biến áp suấ ống phải có sai số
nhỏ trong quá trình đo. Trong dải hoạt động của động cơ, độ chính xác khi đo đạt
khoảng 2%. Nếu cảm biến áp suất ống bị hư thì van điều khiển áp suất sẽ được điều
khiển theo giá trị định sẵn ECU.
Với mục đích nghiên cứu module mở rộng Alalog cuả PLC, nhóm chọn cảm biến
áp suất làm nhiệm vụ đọc giá trị mức nước.
1.3. Tìm hiểu chung về PLC
1.3.1. Giới thiệu chung về PLC
PLC viết tắt của Programmable Logic Controlle, là thiết bị điều khiển lập trình
được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông
qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt
trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ
vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các
sự kiện được đếm. Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết
bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ
liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào
và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình.
Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối ( bộ điều
khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau :
- Lập trình dể dàng , ngôn ngữ lập trình dể học .
- Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản , sửa chữa.
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp .
- Hoàn toàn tin cậy trog môi trường công nghiệp .
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như : máy tính, nối mạng, các
mô Modul mở rộng.

- Giá cả có thể cạnh tranh được.
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các
Logic thời gian .Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và
tính dể dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả … Chính điều
này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp . Các tập
lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm , định thời , thanh
ghi dịch … sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn … Sự phát triển các
máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn , số lượng I / O nhiều hơn.
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều
khiển hoặc xử lý hệ thống. Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác
định bởi một chương trình . Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC,
PLC sẽ thực hiện viêc điều khiển dựa vào chương trình này. Như vậy nếu muốn
thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ , ta chỉ cần thay đổi chương
trình bên trong bộ nhớ của PLC . Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được
thực hiện một cách dể dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với các bộ
dây nối hay Relay .
Hiện nay với sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử đã cho phép chế tạo
các hệ vi xử lý liên tiếp, dựa trên cơ sở của bộ vi xử lý, các bộ điêu khiển logic có
khả nẳng lập trình được (PLC) đã ra đời, cho phép khắc phục được rất nhiều nhược
điểm của các hệ điều khiển liên kết cứng trước đây, việc dùng PLC đã trở nên rất
phổ biến trong công nghiệp tự động hoá. Có thể liệt kế các ưu điểm chính của việc
sử dụng PLC gồm:
- Giảm bớt việc đấu nối dây khi thiết kế hệ thống, giá trị logic của nhiệm vụ
điều khiển được thực hiện trong chương trình thay cho việc đấu nối dây.
- Tính mềm dẻo cao trong hệ thống.
- Bộ nhớ: Cổng ngắt và đếm tốc độ cao khối vi xử lý trung tâm.
- Hệ điều hành Bộ đếm vào – ra Bộ định thời Bộ đếm Bit cơ Cổng vào ra
Onboard Quản lý ghép nối Bus của PLC - Bộ nhớ vào ra:
C ng
ổ

ng t và
ắ
c m tđ
ốế
caođ
ộ
+ Kh i vi
ố
x lý
ử
trung tâm
H+
ệ
u hànhđi
ề
mB đ
ộ ế

vào-ra
B nh đ
ộ ị
ith
ờ
B
ộ
đ m
ế
Bit c
ơ
C ng

ổ
vào ra
Onboard
Qu n lý ghép
ả
n i
ố
Bus c a PLC
ủ
Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ PLC
1.3.2. Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC
a. Cấu trúc

Tất cả các PLC đều có thành phần chính là :
Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong ( có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ
ngoài EPROM ).
Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC .
Các Modul vào /ra.
Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm môt đơn vị lập trình
bằng tay hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM
để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung . Nếu đơn vị lập trình
là đơn vị xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương
trình đã được kiểm tra và sẳn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đối
với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hổ trợ cho việc viết, đọc và
kiểm tra chương trình . Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422,
RS458, …
Đối với PLC cỡ nhỏ các bộ phận thường được kết hợp thành một khối. Cũng có
một số hãng thiết kế PLC thành từng mô đun để người sử dụng có thể lựa chọn cấu
hình PLC cho phù hợp mà ít tốn kém nhất, đồng thời đáp ứng được yêu cầu ứng
dụng. Một bộ PLC có thể có nhiều mô đun nhưng thành phần cơ bản nhất của phần

cứng trong bộ PLC bao giờ cũng có các khối sau:
Sơ đồ cấu trúc phần cứng của bộ lập trình PLC
Dựa vào sơ đồ khối ta thấy PLC gồm có 4 khối chính đó là: Khối nguồn, khối vi
xử lý – bộ nhớ, khối đầu vào, khối đầu ra. Thông thường các tín hiệu xuất nhập đầu
ở dạng số (1- 0), còn nếu tín hiệu là dạng liên tục thì ta cần gắn các khối xuất nhập ở
dạng liên tục (Analog).
 Mô đun nguồn: (Moudule)
Là khối chức năng dùng để cung cấp nguồn và ổn định điện áp cho PLC hoạt
động. Trong công nghiệp người ta thường dùng điện áp 24V một chiều. Tuy nhiên
cũng có bộ PLC sử dụng điện áp 220V xoay chiều.
 Mô đun CPU (Centrol rocessor Unit module):
Bao gồm bộ vi xử lý và bộ nhớ
 Mô đun nhập: (Input Module)
Tín hiệu vào: Các tín hiệu đầu vào nhận các thông tin điều khiển bên ngoài dạng
tín hiệu Logic hoặc tín hiệu tương tự. Các tín hiệu Lôgic có thể từ các nút ấn điều
khiển các công tắc hành trình, tín hiệu báo động, các tín hiệu của các quy trình công
nghệ,…Các tín hiệu tương tự đưa vào của PLC có thể là tín hiệu điện áp từ các căn
nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ cho một lò nào đó hoặc tín hiệu từ máy phát tốc, cảm
biến.
Mô đun xuất (Output Module):
Trong PLC thì Module xuất cũng hết sức quan trọng không kém module nhập.
Nó có thể có 8 hoặc 16 ngõ ra mà trên một Module xuất, do vậy người sử dụng có
thể kết nối nhiều module lại với nhau để được số ngõ ra phù hợp. Đối với những
ứng dụng nhỏ thì cần 16 ngõ ra. Những ứng dụng lớn hơn có thể dùng tới 26 hoặc
256 ngõ ra. Cũng giống như Module nhập thì các ngõ ra của Module xuất là các tiếp
điểm của rơle, khả năng chịu tải lớn 220V/1A. Nếu muốn khống chế phụ tải công
suất lớn thì thông qua các thiết bị trung gian như: CTT. Aptomat. Triac…

b. Nguyên lý hoạt động của PLC
lin d u tChuy

ữể ừệ
ng rai cu ra Q tđ
ầ ổớ
li u t u Chuy n d đ
ữ ệ ừể ầ
c ng vào t i đ u vào I
ổ ớ ầ
Truy n thông và
ề
ki m tra b nh
ớể ộ
c hi n Th
ự ệ
ng trìnhch
ươ
Chu kỳ thực hiện vòng quét của CPU trong bộ PLC
Trong quá trình thực hiện chương trình CPU luôn làm việc với bảng ảnh ra. Tiếp
theo của việc quét chương trình là truyền thông nội bộ và tự kiểm tra lỗi. Vòng quét
được kết thúc bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi. Những
trường hợp cần thiết phải cập nhật module ra ngay trong quá trình thực hiện chương
trình. Các PLC hiện đại sẽ có sẵn các lệnh để thực hiện điều này. Tập lệnh của PLC
chứa các lệnh ra trực tiếp đặc biệt, lệnh này sẽ tạm thời dừng hoạt động bình
thường của chương trình để cập nhật module ra, sau đó sẽ quay lại thực hiện
chương trình. Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời
gian vòng quét (Scan time). 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 khối lượng dữ liệu được truyền thông trong
vòng quét đó. Một vòng quét chiếm thời gian quét ngắn thì chương trình điều khiển
được thực hiện càng nhanh. Nguyên lý hoạt động dựa trên các bộ phận sau :

Đơn vị xử lý trung tâm
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra
chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong
chương trình , sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới
các thiết bị liên kết để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc
vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.
Hệ thống bus
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín
hiệu song song :
Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau.
Data Bus : Bus dùng để truyền dữ liệu.
Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển
đồng bộ các hoạt động trong PLC .
Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông
qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép
truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song.
Nếu môt modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus , nó sẽ
chuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8
đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ
Data bus. Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt
động của PLC .
Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian
hạn chế.
Hê thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O . Bên
cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 118 MHZ. Xung này
quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ
của hệ thống.
Bộ nhớ
PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp :
Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O.

Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các
Relay.
Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong
bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ .
Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi
xử lý. Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo .
Với một địa chỉ mới , nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đấu ra, quá trình
này được gọi là quá trình đọc .
Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bỡi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có
khả năng chứa 2000 ÷ 16000 dòng lệnh , tùy theo loại vi mạch. Trong PLC các bộ
nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng .
RAM (Random Access Memory ) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ
nội dung bất kỳ lúc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất .
Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng cung
cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm. Trong thực tế RAM
được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình. Khuynh hướng hiện nay dùng
CMOSRAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn .
EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người sử
dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được . Nội dung của
EPROM không bị mất khi mất nguồn , nó được gắn sẵn trong máy , đã được nhà sản
xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn. Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ
nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC . Trên PG (Programer) có sẵn
chổ ghi và xóa EPROM.
Môi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoạc đĩa mềm, được sử dụng trong
máy lập trình. Đĩa cứng hoăc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng để
lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài .
Kích thước bộ nhớ :
Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 ÷1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế
tạo .
Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K ÷ 16K, có khả năng chứa từ 2000 ÷16000

dòng lệnh.
Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM , EPROM.
Các ngỏ vào ra I / O
Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các modul ( các đầu vào của
PLC ) , các cơ cấu chấp hành được nối với các modul ra ( các đầu ra của PLC ) .
Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V , tín hiêu xử lý là 12/24VDC
hoặc 100/240VAC.
Mỗi đơn vị I / O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I /
O được cung cấp bỡi các đèn LED trên PLC , điều này làm cho việc kiểm tra hoạt
động nhập xuất trở nên dể dàng và đơn giản .
Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON,OFF) để thực hiện việc
đóng hay ngắt mạch ở đầu ra.
1.3.3. Các hoạt động bên trong PLC
a. Xử lý chương trình
Khi một chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của PLC , các lệnh sẽ được trong
một vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ .
PLC có bộ đếm địa chỉ ở bên trong vi xử lý, vì vậy chương trình ở bên trong bộ
nhớ sẽ được bộ vi xử lý thực hiện một cách tuần tự từng lệnh một, từ đầu cho đến
cuối chương trình . Mỗi lần thực hiện chương trình từ đầu đến cuối được gọi là
một chu kỳ thực hiện. Thời gian thực hiện một chu kỳ tùy thuộc vào tốc độ xử lý
của PLC và độ lớn của chương trình. Một chu lỳ thực hiện bao gồm ba giai đoạn nối
tiếp nhau :
• Đầu tiên, bộ xử lý đọc trạng thái của tất cả đầu vào. Phần chương trình phục
vụ công việc này có sẵn trong PLC và được gọi là hệ điều hành .
• Tiếp theo, bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong chương trình.
Trong ghi đọc và xử lý các lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầu vào, thực hiện
các phép toán logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạng thái của các đầu ra.
• Cuối cùng, bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các modul
đầu ra.
b. Xử lý xuất nhập

Gồm hai phương pháp khác nhau dùng cho việc xử lý I / O trong PLC :
 Cập nhật liên tục
Điều nay đòi hỏi CPU quét các lệnh ngỏ vào (mà chúng xuất hiện trong
chương trình ), khoảng thời gian Delay được xây dựng bên trong để chắc chắn rằng
chỉ có những tín hiệu hợp lý mới được đọc vào trong bộ nhớ vi xử lý. Các lệnh ngỏ
ra được lấy trực tiếp tới các thiết bị. Theo hoạt động logic của chương trình , khi
lệnh OUT được thực hiện thì các ngỏ ra cài lại vào đơn vị I / O, vì thế nên chúng
vẫn giữ được trạng thái cho tới khi lần cập nhật kế tiếp.
 Chụp ảnh quá trình xuất nhập
Hầu hết các PLC loại lơn có thể có vài trăm I / O, vì thế CPU chỉ có thể xử
lý một lệnh ở một thời điểm . Trong suốt quá trình thực thi, trạng thái mỗi ngõ nhập
phải được xét đến riêng lẻ nhằm dò tìm các tác động của nó trong chương trình. Do
chúng ta yêu cầu relay 3ms cho mỗi ngõ vào, nên tổng thời gian cho hệ thống lấy
mẫu liên tục trở nên rất dài và tăng theo số ngõ vào.
Để làm tăng tốc độ thực thi chương trình, các ngõ I / O được cập nhật tới
một vùng đặc biệt trong chương trình. Ở đây, vùng RAM đặc biệt này được dùng
như một bộ đệm lưu trạng thái các logic điều khiển và các đơn vị I / O. Mỗi ngõ
vào ra đều có một địa chỉ I / O RAM này. Suốt quá trình copy tất cả các trạng thái
vào trong I / O RAM. Quá trình này xảy ra ở một chu kỳ chương trình (từ Start đến
End ).
Thời gian cập nhật tất cả các ngõ vào ra phụ thuộc vào tổng số I/O được
copy tiêu biểu là vài ms. Thời gian thực thi chương trình phụ thuộc vào chiều dài
chương trình điều khiển tương ứng mỗi lệnh mất khoảng từ 1÷ 10 µs.
1.4. Tìm hiểu sơ lược về PLC S7200 của SIEMEN
1.4.1. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG S7-200
PLC S7-200 là một loại PLC cỡ nhỏ của công ty Siemens. Cấu trúc S7-200
gồm 1 CPU và các module mở rộng cho nhiều ứng dụng khác nhau.S7-200 gồm
nhiều loại: CPU 221, 222, 224, 226….có nhiều nhất 7 module mở rộng khi có nhu
cầu: tổng số ngõ vào/ra, ngõ vào/ra Analog, kết nối mạng ( AS-I, Profibus ).
S7 200 có các đặc trưng về thông số kĩ thuật như sau : 

Các đèn báo:
Có 3 loại đèn báo hoạt động
- RUN: đèn xanh báo hiệu PLC đang hoạt động
- STOP :đèn vàng –báo hiệu PLC
- SF (system Failure):đèn đỏ báo hiệu PLC bị sự cố.
- Có 2 loại đèn chỉ thị :
- Ix.x: chỉ trạng thái logic ngõ vào.
- Qx.x: chỉ trạng thái logic ngõ ra
-  Đặc điểm ngỏ vào
- Mức logic 1 : 24VDC/7mA
- Mức logic 0 : đến 5VDC/1MA
- Đáp ứng thời gian : 0.2ms
- Cách ly quang : 500ACV
- Địa chỉ ngõ vào : Ix.x
Đặc điểm ngõ ra:
- Điện áp tác động: 24 -28VDC/2A - Ngõ ra Relay hoặc transitor Sourcing
Chịu quá dòng đến 7.
- Điện trở cách ly nhỏ nhất 100 m Ω
- Điện trở công tắc 200 Ω
- Điện trở công tắc: 200 m Ω
- Thời gian chuyển mạch tối đa 10 ms
- Không có chế độ bảo vệ ngắn mạch
- Địa chỉ ngõ ra: Qx.x
- Nguồn cung cấp
- Điện áp nguồn 20-24 VDC
- Dòng tối đa 900 mA
- Thời gian duy trì khi mất nguồn 10 ms
- Cầu chì bên trong 2A/250V - Công tắc chọn mode
- Không có cách ly nguồn điện .
Mode công tắc chọn

Có 3 vị trí lựa chọn công tắc
- RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình
- PLC sẽ dừng chương trình khi có sự cố
- TERM :cho phép máy lập trình quyết định chế độ hoạt động PLC
Cổng truyền thông
- Sử dụng cổng RS485 để ghép nối với máy tính hoặc thiết bị khác.
- Tốc độ truyền là 9600 bauds.
- Cấu trúc cổng truyền thông được mô phỏng như sau :
- Ghép nối PLC và máy tính
- Sử dụng cáp PC/PPI chuyển đổi giữa RS232 và RS485 - Chuyển đổi và
kết nối như hình sau :
Hình 5. Kết nối PLC với máy tính
1.4.2. CẤU TRÚC BỘ NHỚ S7-200.
Bộ điều khiển lập trình S7-200 được chia thành 4 vùng nhớ. Với 1 tụ có nhiệm vụ
duy trì dữ liệu trong thời gian nhất định khi mất nguồn bộ nhớ S7-200 có tính năng
động cao, đọc và ghi trong phạm vi toàn vùng loại trừ các bít nhớ đặc biệt SM
( Special Memory) chỉ có thể truy nhập để đọc.
 Vùng chương trình: Là vùng bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ các lệnh chương trình
vùng này thuộc bộ nhớ trong đọc và ghi được.
Vùng tham số: Là vùng lưu giữ các tham số như: Từ khoá, địa chỉ trạm….cũng
giống như vùng chương trình thuộc bộ nhớ trong đọc và ghi được.
Vùng dữ liệu: Là vùng nhớ động được sử dụng cất các dữ liệu của chương trình
bao gồm các kết quả các phép tính nó được truy cập theo từng bit từng byte vùng này
được chia thành những vùng nhớ với các công dụng khác nhau. - Vùng I (Input
image register): Là vùng nhớ gồm 16 byte I (đọc/ghi): I.O - I.15
- Vùng Q (Output image register): Là vùng nhớ gồm 16 byte Q (đọc/ghi):
Q.O- Q.15
- Vùng M (Internal memory bits): là vùng nhớ gồm có 32 byte M (đọc/ghi):
M.O -M.31
- Vùng V (Variable memory): Là vùng nhớ gồm có 10240 byte V (đọc/ghi):

V.O - V.10239
- Vùng SM: (Special memory): Là vùng nhớ gồm: 194 byte của CPU chia làm 2 phần:
SM0 – SM29 chỉ đọc và SM30 – SM194 đọc/ghi.
- SM200-SM549 đọc/ghi của các module mở rộng
Vùng đối tượng: Là timer (định thì), counter (bộ đếm) tốc độ cao và các cổng
vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng vùng này không thuộc kiểu non –
volatile nhưng đọc ghi được.
- Timer (bộ định thì): đọc/ghi T0 -T255
- Counter (bộ đếm): đọc/ghi C0 - C255
- Bộ đệm vào analog (đọc): AIW0 - AIW30
- Bộ đệm ra analog (ghi): AQW0 - AQW30
- Accumulator (thanh ghi): AC0 - AC3
- Bộ đếm tốc độ cao: HSC0 - HSC5
Tất cả các miền này đều có thể truy nhập được theo từng bit, từng byte, từng từ
đơn (word – 2byte), từ kép (Double word).
Cấu trúc chương trình:
- Chương trình cho S7-200 phải có cấu trúc bao gồm chương trình chính (main
program) sau đó đến các chương trình con và các chương trình xử lý ngắt. -
Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình
(MEND).
- Các chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chương trình, nếu cần sử dụng
chương trình xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc MEND.
Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trình
chính, sau đó đến ngay các chương trình xử lý ngắt bằng cách viết như vậy cấu trúc
chương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc chương trình có thể trộn
lẫn các chương trình con và chương trình xử lý ngắt đằng sau chương trình chính.
1.5. Tìm hiểu tập lệnh cơ bản S7 200
a. Lệnh vào / ra.
• Lệnh Load (LD):
Lệnh LD nạp giá trị logic của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn

xếp, các giá trị còn lại trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống một bit.
Toán hạng gồm: I, O, M, SM, V, C, T.
Tiếp điểm thường mở sẽ đóng khi ngõ vào PLC có địa chỉ là 1.
• Lệnh Load Not (LDN):
Lệnh LDN nạp giá trị logic của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn
xếp, các giá trị còn lại trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống một bit.
Tiếp điểm thường đóng sẽ mở khi ngõ vào PLC có địa chỉ là 1
Hình 6. Mô tả lệnh LD và LDN
Các dạng khác nhau của lệnh LD,LDN:
• UTPUT (=):
Lệnh sao chép nội dung của bit đầu tiên trong ngăn xếp vào bit được chỉ định
trong lệnh. Nội dung ngăn xếp không bị thay đổi.
b. Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm:
• Lệnh SET ( S ) và RESET ( R )
Hai lệnh này dùng để đóng và ngắt các điểm gián đoạn đã được thiết kế. Trong
LAD, logic điều khiển dòng điện đóng hay ngắt các cuộn dây đầu ra. Khi dòng điều
khiển đến các cuộn dây thì các cuôn dây đóng hoặc mở các tiếp điểm. Trong STL,
lệnh truyền trạng thái bit đầu tiên của ngăn xếp đến các điểm thiết kế. Nếu bit này có
giá trị bằng 1, các lệnh S hoặc R sẽ đóng ngắt tiếp điểm hoặc một dãy các tiếp điểm
(giới hạn từ 1 đến 255). Nội dung của ngăn xếp không bị thay đổi bởi các lệnh này.
VD: Khi tiếp điểm I0.0 đóng lệnh Set hoặc Reset sẽ đóng (ngắt) một mảng
gồm n (5) tiếp điểm kể từ Q0.0.
Mô tả lệnh S (Set) và R (Reset) :
c. Các lệnh logic đại số Boolean:
Các lệnh tiếp điểm đại số Boolean cho phép tạo lập các mạch logic (không có
nhớ). Trong LAD các lệnh này được biểu diễn thông qua cấu trúc mạch, mắc nối tiếp
hay song song các tiếp điểm thường đóng hay các tiếp điểm thường mở. Trong STL
có thể sử dụng lệnh A (And) và O (Or) cho các hàm hở hoặc các lệnh AN (And Not),
ON (Or Not) cho các hàm kín. Giá trị của ngăn xếp thay đổi phụ thuộc vào từng lệnh.
• AND (A)

• AND NOT (AN)
Tín hiệu ra sẽ là nghịch đảo của tín hiệu vào.
• OR (O).
Tín hiệu ra sẽ bằng 1 khi ít nhất có một tín hiệu vào bằng 1.
d. Các lệnh về tiếp điểm đặc biệt:
• Tiếp điểm nào tác động cạnh xuống, tác động cạnh lên:
NOT N P
Có thể dùng các lệnh tiếp điểm đặc biệt để phát hiện sự chuyển tiếp trạng thái
của xung (sườn xung) và đảo lại trạng thái của dòng cung cấp (giá trị đỉnh của ngăn
xếp). LAD sử dụng các tiếp điểm đặc biệt này để tác động vào dòng cung cấp. Các
tiếp điểm đặc biệt này không có toán hạng riêng của chúng vì thế phải đặt chúng phía
trước cuộn dây hoặc hộp đầu ra. Tiếp điểm chuyển tiếp dương/âm (các lệnh trước và
sườn sau) có nhu cầu về bộ nhớ, bởi vậy đối với CPU 224 có thể sử dụng nhiều nhất
là 256 lệnh.
Biểu đồ thời gian
I0.0
Q0.0
Q0.2
Q0.1
Hình 7 - Giản đồ thời gian các tiếp điểm đặc biệt
• Tiếp điểm trong vùng nhớ đặc biệt:
- SM0.0: Vòng quét đầu tiên thì mở nhưng từ vòng quét thứ 2 trở đi thì đóng.
- SM0.1: Ngược lại với SM0.0, vòng quét đầu tiên tiếp điểm này đóng, kể từ vòng quét
thứ 2 thì mở ra và giữ nguyên trong suốt quá trình hoạt động.
- SM0.4: Tiếp điểm tạo xung với nhịp xung với chu kì là 1 phút.
- SM0.5: Tiếp điểm tạo xung với nhịp xung với chu kì là 1 giây.
e. Các lệnh thời gian (Timer)
• Các lệnh điều khiển thời gian Timer :
Timer là bộ tạo thời gian trễ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra nên trong điều
khiển vẫn thường gọi là khâu trễ. Nếu kí hiệu tín hiệu (logic) vào là x(t) và thời gian

trễ tạo ra bằng Timer là τ thì tín hiệu đầu ra của Timer đó sẽ là x (t – τ) S7200 có 64
bộ Timer (với CPU 212) hoặc 128 Timer (với CPU 214) được chia làm 2 loại khác
nhau:
- Timer tạo thời gian trễ không có nhớ (On-Delay Timer), kí hiệu là TON.
- Timer tạo thời gian trễ có nhớ (Retentive On-Delay Timer), kí hiệu TONR.
- Hai kiểu Timer của S7-200 (TON và TONR) phân biệt với nhau ở phản ứng của nó
đối với trạng thái ngõ vào.
Cả hai Timer kiểu TON và TONR cùng bắt đầu tạo thời gian trễ tín hiệu kể từ
thời điểm có sườn lên ở tín hiệu đầu vào, tức là khi tín hiệu đầu vào chuyển trạng thái
logic từ 0 lên 1, được gọi là thời điểm Timer được kích, và không tính khoảng thời
gian khi đầu vào có giá trị logic 0 vào thời gian trễ tín hiệu đặt trước. Khi đầu vào có
giá trị logic bằng 0, TON tự động Reset còn TONR thì không. Timer TON được dùng