thiết kế điều khiển và giám sát dây chuyền sản xuất phân bón npk

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, khi mà khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển thì lại càng đòi
hỏi phải tìm ra các giải pháp công nghệ mới và PLC là một trong số những thiết
bị thiết yếu ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.Vì thế, đi sâu
vào nghiên cứu phát triển PLC không nằm ngoài mục tiêu phát triển của ngành
công nghiệp hiện đại.
Trong tình hình cơ cấu kinh tế nước ta hiện nay, nông nghiệp chiếm tới
80% , vì thế ngành công nghiệp sản xuất phân bón chiếm một vai trò vô cùng
quan trọng. Việc điều khiển và giám sát dây chuyền sản xuất sẽ ảnh hưởng tới
chất lượng phân bón cũng như năng suất của ngành nông nghiệp. Với những
kiến thức đã tiếp thu được sau những năm học tập tại ngành Điện Tự Động
thuộc khoa Điện - Điện Tử , trường đại học Hàng Hải Việt Nam, cùng với việc
tham khảo một số mô hình thực tế, em đã chọn đề tài tốt nghiệp : “ Thiết kế điều
khiển và giám sát dây chuyền sản xuất phân bón NPK”.
Được sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử,
đặc biệt là thầy Hoàng Xuân Bình và cô giáo Vũ Thị Thu, em đã hoàn thành đề
tài nói trên. Nội dung đồ án của em gồm 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về dây chuyền sản xuất phân NPK.
Chương 2. Thiết kế hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất phân NPK
dùng PLC S7-300.
Chương 3. Xây dựng chương trình giám sát trên WinCC.
Trong thời gian thực hiện đề tài, em đã cố gắng hoàn thành một cách tốt
nhất công việc của mình. Do kiến thức và kinh nghiệm có hạn nên đồ án của em
sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp quý
báu của các thầy cô và các bạn để bản thiết kế này được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên
Nguyễn Trọng Đạt
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT PHÂN NPK
1.1. Giới thiệu chung về phân NPK [4]

1.1.1. Khái niệm
NPK nhằm chỉ 3 nguyên tố dinh dưỡng đa lượng, tức là 3 nguyên tố
chính yếu cần bổ sung trước cho cây trồng, nhằm nâng cao khả năng sinh trưởng
và năng suất của cây trồng.
Phân NPK là loại phân bón hóa học chuyên cung cấp cho cây trồng 3
loại nguyên tố dinh dưỡng này.
Ngoài các nguyên tố trên thì phân NPK còn cung cấp cho cây trồng một
số loại nguyên tố vi lượng khác như S, Mg…
Hình 1.1. Hạt phân và bao phân NPK
1.1.2. Thành phần và tác dụng của phân NPK
Phân NPK gồm 3 thành phần chính là Đạm (N), Lân (P), và Kali (k).
Tùy vào từng loại phân NPK mà khối lượng của từng thành phần sẽ thay
đổi.
a. Đạm ( N)
Đạm giữ vai trò quan trọng trong việc hình thành bộ rễ , thúc đẩy nhanh
quá trình đẻ nhánh, nảy chồi và cần thiết cho sự phát triển thân lá.
Thiếu đạm cây sẽ phát triển kém, còi cọc, trên lá già xuất hiện màu xanh
lọt tới vàng nhạt, bắt đầu từ phía chóp lá sau đó sẽ rụng hoặc chết tùy theo mức
độ thiếu. Thiếu đạm sẽ làm bộ rễ k phát triển dẫn đến cây phát triển kém.
b. Lân (P)
Lân đóng vai trò quan trọng trong việc phân chia tế bào, tạo thành chất
béo giàu protein, thúc đẩy việc ra rễ đặc biệt là rễ bên và lông hút. Ngoài ra lân
2
còn thúc đẩy việc ra hoa, hình thành quả và quyết định phẩn chất của các hạt
giống, dự trữ và vận chuyển năng lượng (ATP và ADP), là thành phần cấu tạo
của các nucleic acids ( DNA và RNA), phosphoprotein, phosphoipids và nhiều
emzymes quan trọng…
c. Kali (K)
Kali giúp cây quang hợp tốt hơn, thúc đẩy hình thành glinin, xellulo, làm
cây cứng cáp, chống chịu tốt hơn với các loại sâu bệnh. Tăng tỉ lệ hạt chắc, hạn

chế rụng quả, tăng độ lớn của củ quả, tăng năng suất và chất lượng nông sản,.
Thiếu Kali cây sẽ bị úa vàng dọc, mép lá, chớp lá chuyển màu nâu, các
triệu chứng lan dần vào phía trong, từ chớp lá trở xuống. Cây trồng thiếu Kali sẽ
còi cọc, thân yếu nên dễ bị đổ ngã.
1.1.3. Phân loại
Trên thị trường hiện nay đang có các loại phân NPK sau đây:
- Loại 2 yếu tố N - P hoặc P - K, hoặc N – K với tỉ lệ NPK:
20-20-0 hoặc 20-0-20 hoặc 0-1-3
- Loại 3 yếu tố N P K với tỉ lệ 20-20-10 hoặc 20-10-25
- Loại 4 yếu tố N P K Mg (S,Ca ) có tỉ lệ 14-9-21-2 hoặc 16-
16-8-13
1.2. Quy trình công nghệ sản xuất phân NPK
1.2.1. Sơ đồ quy trình công nghệ
a. Nguyên liệu sản xuất
Để có được sản phẩm phân NPK chất lượng cao thì điều đầu tiên cần lưu
ý đó là nguyên liệu đầu vào. Nguyên liệu phải đảm bảo về mặt chất lượng, ít bị
lẫn tạp chất, được bảo quản trong điều kiện tốt nhất có thể.
Nguyên liệu đầu vào là dạng viên sẽ được sơ chế và đưa vào kho chứa.
Điều kiện bảo quản trong kho chứa phải đảm bảo cho nguyên liệu không có độ
ẩm quá cao tạo điều kiện thuận lợi cho các khâu sản xuất sau này.
b. Sơ đồ sản xuất phân NPK [4]
Dựa vào quy trình sản xuât NPK của các nhà máy, ta có sơ đồ sản xuất
phân NPK như sau
3
Hình 1.2. Sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất phân NPK
c. Quy trình công nghệ
Các công đoạn trong quy trình công nghệ sản xuất phân bón NPK được
cha thành 07 công đoạn :
• Nghiền nguyên liệu
Mục đích của quá trình nghiền nhiên liệu nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ

thuật về độ mịn (<2mm), tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình vê viên tạo hạt
đồng thời sản phẩm sau này có hình thức đẹp, tăng cường độ cứng cũng như bảo
đảm đồng đều các thành phần trong hạt phân và đảm bảo chất lượng phân.
Nguyên liệu được nghiền bằng máy nghiền, sau đó được băng tải vận
chuyển nạp vào khâu tiếp theo.
• Phối trộn nguyên liệu
Mục đích của quá trình này là trộn đều các nguyên liệu trước khi đưa
sang công đoạn vê viên. Ngoài ra, phối trộn nguyên liệu nhằm đảm bảo tỷ lệ
giữa các thành phần dinh dưỡng trong hạt phân.
Các loại nguyên liệu như urê, SA ( Sunfat Amôn), supe phootphat đơn,
DAP (Diamon phosphate), KCI, phụ gia… tùy theo yêu cầu tỷ lệ thành phần
dinh dưỡng của sản phẩm mà chúng được trộn với tỷ lệ phối liệu khác nhau.
Thùng trộn có dạng thùng quay, đặt nghiêng, có mục đích là đảo trộn đều các
nguyên liệu, đảm bảo nguyên liệu được trộn đều với nhau trước khi đưa sang vê
viên, tạo hạt.
• Vê viên tạo hạt
Mục đích của quá trình này là tạo các hạt có kích thước mong muốn từ
2÷5 (nm) có thành phần dinh dưỡng và kích thước hạt đồng đều, có độ ẩm thích
hợp 4.5÷6.6% để tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình tiếp theo.
4
Hỗn hợp nguyên liệu sau khi đã trộn đều được băng tải đưa xuống máy
vê viên dạng thùng quay. Hơi nước được đưa vào thiết bị này bằng vòi phun
nhằm tạo độ ẩm thích hợp cho nguyên liệu. Tại đây, nhờ lực ly tâm và trọng lực
của các nguyên liệu, độ ẩm do nước đưa vào, các hạt NPK dần dần được hình
thành. Bọc tạo áo sản phẩm bằng lớp nguyên liệu khô và mịn, cấp vào phần
vành ngoài thiết bị tạo hạt thùng quay trước khi lấy sản phẩm ra. Màu sắc
nguyên liệu baocj áo chính là yếu tố quyết định màu sắc của sản phẩm cuối
cùng, Hạt NPK sau đó sẽ chuyển xuống băng tải đưa sang công đoạn sấy.
Quá trình tạo mầm hạt sản phần được thực hiện trong khoảng 10÷15
phút cho đến khi các hạt kích thước đồng đều nhau 1.5÷2.0 (mm). Kích thước và

độ đồng đều của sản phẩm cuối cùng. Các hạt nhỏ sau càng được tuần hoàn lại
cũng có khả năng tạo mầm, chính các hạt này giúp quá trình hình thành mầm
nhanh hơn và nhiều hơn.
Quá trình hạt trưởng thành được tiến triển như sau: các hạt nhỏ khi
chuyển động vào vị trí phun nước hơi, sẽ được tạo một lớp ngoài ẩm (vị trí này
thường nằm thấp hơn vị trí hạt bắt đầu lăn xuống một chút – khoảng 1/5 đường
kinh thiết bị ) sau khi lăn xuống phần đáy thiết bị sẽ được bán thêm 1 lớp
nguyên liệu, hạt theo lực ma sát, lực li tâm sẽ lăn lên trên phía trên thiết bị, quá
trình lăn hạt do hạt quay theo nhiều chiều vì vậy lớp bột bị ép chặt vào hạt, khi
hạt lăn vào khu phun hơi nước quá trình như trình bày trên tiếp tục xảy ra, như
vậy hạt ngày càng to lên, và có xu hướng nổi lên trên bè mặt hỗn hợp, và tự trào
ra ngoài thiết bị. Như vậy quá trình cấp liệu là liên tục, cấp hơi nước là liên tục
và bán thành phẩm tạo ra cũng liên tục.
• Sấy
Mục đích của công đoạn sấy là tạo độ ẩm của hạt theo yêu cầu 2÷4% để
làm tăng độ cứng và tránh hiện tượng kết khối hạt.
Sau quá trình vê viên tạo hạt, NPK bán thành phẩm có độ ẩm khoảng
4.5÷6.0% được băng tải đưa chuyển vào máy sấy thùng quay. Máy sấy thùng
quay hoạt động theo nguyên lý sấy ngược chiều, phân bón có trạng thái nóng ẩm
được đưa vào ngược chiều với dòng khí trong thùng sấy, khi ra phân bón có
5
dạng nóng –khô. Đồng thời trong quá trình này người ta trộn them chất độn vào
nhằm tránh sự kết dính giữa các hạt phân. Khi nóng được cấp từ hệ thống lò hơi
đốt than thông qua hệ thống quạt hút và quạt đẩy ( vì phân bón không cần độ
trắng nên dung than sẽ tiết kiệm hơn dầu FO). Khí nóng dung để sấy NPK có
nhiệt độ khoảng 250-200
0
C và độ ẩm đạt 2÷4%. Dòng khí nóng sau khi trao đổi
nhiệt với NPK sẽ hạ xuống còn 110
0

C. Sauk hi sấy NPK được đưa sang công
đoạn sàng.
• Sàng phân loại
Mục đích của công đoạn này là loại bỏ các hạt phân có kích thước không
mong muốn ( quá nhỏ hoặc quá to ).
Sản phẩm NPK sau khi sấy đến độ ẩm 2÷4 được chuyển lên sàng. Sàng
được động cơ chuyền chuyển động qua cơ cấu rung lệch tâm. Sàng có cấu tạo
gồm 02 lớp, lớp trên có kích thước mắt sàng là 5mm và lớp dưới là 2mm. Các
hạt NPK có kích thước lơn hơn 5mm được giữ lại trên mặt sàng và qua hệ thống
băng tải quay về công đoạn nghiền. Còn lại các hạt đạt kích thước đạt yêu cầu từ
2÷5 (mm) nằm ở giữa 02 mặt sàng được đưa vào thiết bị làm nguội.
• Làm nguội
Sản phẩm NPK sau quá trình sàng phân loại có nhiệt độ khoảng 70-80
0
C
vào kích thước 2÷5 (mm), độ ẩm 2÷4% được đưa vào thiết bị làm nguội có
dạng thùng quay. Thùng quay được thiết kế đặt nghiêng, sản phẩm chuyển dịch
từ đầu thùng (cửa vào) đến cuối thùng (cửa ra). Khí trời được quạt hút cưỡng
bức với tốc độ nhanh vào thùng và đi ngược chiều với sản phẩm và làm hạ nhiệt
của sản phẩm từ 70-80
0
C xuống còn 30
0
C. Do trong quá trình sấy, hạt NPK
được tích nhiệt nên quá trình bày hơi nước tiếp tục xảy ra tại băng tải sau sấy, tại
sàng bán thành phẩm và tại thiết bị làm nguội để ra sản phẩm cuối cùng có độ
ẩm 0.6÷1.5%.
• Đóng bao sản phẩm
Quá trình đóng bao được thực hiện bởi máy khâu bao. Sản phẩm từ silo
chứa được cho tháo chảy xuống bao chứa đã hứng phía dưới và đặt trên một cân

6
định lượng, tiếp đó đóng miệng bao sản phẩm bằng máy khâu bao. Sau khi khâu
xong, bao phân sẽ được băng tải chuyển xuống xe đẩy đưa vào kho.
1.2.1. Mô hình sản xuất và nguyên lí hoạt động của mô hình [1;232]
a. Mô hình sản xuất
Hình 1.3. Mô hình sản xuất phân NPK
Băng tải 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7: Các băng tải đưa nguyên liệu vào các khâu.
Để truyền động các băng tải này người ta dùng các động cơ không đồng bộ 3
pha roto lồng sóc
Van1, van2, van3, van4, van5, van6, van7, van8: các van cung cấp hoặc
xả nguyên liệu khi một khâu trong dây chuyền kết thúc. Đây là các van điện từ
có cấu tạo gồm 1 nam châm điện. Khi nam châm điện được cấp điện nó sẽ tác
động làm van mở ra. Khi mất điện, lò xo sẽ tác động làm van đóng lại
7
CB-1, CB-2, CB-3 :Các cảm biến đo khối lượng nguyên liệu đầu vào
đảm bảo tỉ lệ các thành phần của phân NPK
CB- đầy 1, CB- cạn 1, CB- đầy 2, CB- cạn 2, CB- đầy 3, CB- cạn 3: các
cảm biến lượng nguyên liệu trong bồn của mỗi khâu trong dây chuyền
CB4. Cảm biến phát hiện có bao
CB-SP: cảm biến phát hiện có 1 sản phẩm đã hoàn thành
Van hơi nước: cung cấp hơi nước cho khâu tạo hạt
b. Nguyên lí hoạt động của mô hình
Khi nhấn nút start thì băng tải 1 ( chứa Kali), băng tải 2 ( chứa Lân dạng
bột), băng tải 3 ( chứa DAP) hoạt động để đưa nguyên liệu vào bồn chứa để định
lượng đồng thời băng tải 7 hoạt động và dừng khi cảm biến 4 báo ( phát hiện có
bao) để đưa bao phân vào vị trí để đựng phân thành phẩm. Cùng lúc này van 8
mở để đưa phân từ bồn chứa vào bao.
Khi cảm biến 1 báo ( đã đủ trọng lượng) thì băng tải 1 dừng đồng thời
van 1 mở ra để dưa Kali vào bồn nghiền.
Khi cảm biến 2 báo ( đã đủ trọng lượng) thì băng tải 2 dừng, đông thời

van 2 mở ra để đưa lân dạng bột vào bồn nghiền.
Khi cảm biến 3 báo ( đã đủ trọng lượng) thì băng tải 3 dừng đồng thời
van 3 mở để đưa DAP vào bồn nghiền.
Khi cảm biến đầy 1 báo ( bồn nghiền đã đầy), van 1 van 2 van 3 đóng,
băng tải 1, băng tải 2, băng tải 3 hoạt động để đưa nguyên liệu vào bồn chứa.
Đồng thời động cơ nghiền hoạt động, thời gian nghiền theo quy định cho trước.
Sau khi nghiền xong van 4( van xả bồn nghiền) mở đưa nguyên liệu đã
nghiền đến băng tải 4, đồng thời băng tải 4 chạy đưa nguyên liệu vào bồn trộn.
Khi cảm biến cạn 1 (cảm biến báo cạn bồn nghiền) báo thì đóng van 4
(van xả bồn nghiền).
Cảm biến đầy 2 (cảm biến báo đầy bồn trộn) báo thì động cơ trộn hoạt
động.
Sau 10 phút thì van 5 (van xả bồn trộn) mở thì nguyên liệu được đưa đến
bồn tạo hạt, đồng thời động cơ tạo hạt hoạt động và van hơi nước mở đưa hơi
nước vào bồn để tạo hạt.
Khi cảm biến cạn 2( cảm biến báo cạn bồn trộn) báo thì van 5đóng lại.
Khi cảm biến đầy 3 (báo đầy máy sấy) báo thì động cơ tạo hạt ngừng,
đồng thời động cơ sấy hoạt động đến khi cảm biến độ ẩm báo thì dừng, đồng
8
thời van 6 (van xả máy sấy) mở đưa phân đến bồn phân loại. Cùng lúc đó, động
cơ phân loại, động cơ làm nguội, và băng tải 5 (chuyển phân chưa đúng yêu cầu
về lại bồn nghiền) hoạt động. Khi phân được đưa vào bồn phân loại , hạt nào đủ
kích thước sẽ cho qua thùng làm nguội còn hạt nào không đủ kích thước thì đưa
lên băng tải 5 đưa phân không đạt về bồn nghiền.
Khi làm nguội xong cảm biến nhiệt (thùng làm nguội) báo, van 7 (van xả
thùng làm nguội) mở chuyển phân lên băng tải 6 đưa phân vào bồn chứa. Đồng
thời động cơ phân loại, động cơ làm nguội dừng.
Khi cảm biến cạn 3 (báo thùng làm nguội đã xả hết) báo, van 7 (van xả
thùng làm nguội) đóng lại. Khi phân đã vào bồn chứa thì bên dưới bao đựng đã
sẵn sang. Khi cảm biến trọng lương báo van 8 đóng lại, động cơ may bao may

trong 2 phút rồi dừng. Sau đó băng tải 7 (băng tải chở bao) chạy để đưa bao vào
vị trí, dây truyền tiếp tục hoạt động.
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN SẢN
XUẤT PHÂN BÓN NPK DÙNG PLC S7-300
2.1. Tổng quan về PLC S7-300 và phần mềm STEP7
2.1.1. Giới thiệu về PLC S7-300
a. Lịch sử phát triển và vai trò của PLC
Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được
sáng tạo ra từ ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motors
vào năm 1968 nhằm thay thế những mạch điều khiển bằng Rơle và thiết bị điều
khiển rời rạc cồng kềnh.
Đến giữa thập niên 70, công nghệ PLC nổi bật nhất là điều khiển tuần tự
theo chu kỳ và theo bít trên nền tảng của CPU. Thiết bị AMD 2901 và AMD
2903 trở nên ngày càng phổ biến. Lúc này phần cứng cũng phát triển: bộ nhớ
lớn hơn, số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn, nhiều loại module chuyên dụng hơn.
Vào năm 1976, PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra ở xa bằng kỹ thuật
truyền thông, khoảng 200 mét.[2;3]
9
Đến thập niên 80, bằng sự nỗ lực chuẩn hoá hệ giao tiếp với giao diện tự
động hoá, hãng General Motors cho ra đời loại PLC có kích thước giảm, có thể
lập trình bằng biểu tượng trên máy tính cá nhân thay vì thiết bị lập trình đầu cuối
chuyên dụng hay lập trình bằng tay.
Đến thập niên 90, những giao diện phần mềm mới có cấu trúc lệnh giảm
và cấu trúc của những giao diện được cung cấp từ thập niên 80 đã được đổi mới.
Cho đến nay những loại PLC có thể lập trình bằng ngôn ngữ cấu trúc
lệnh (STL), sơ đồ hình thang (LAD), sơ đồ khối (FBD).
Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như: Siemens, Allen-Bradley,
General Motors, Omron, Mitsubishi, Festo, LG, GE Fanuc, Modicon…
PLC của Siemens gồm có các họ: Simatic S5, Simatic S7, Simatic
S500/505. Mỗi họ PLC có nhiều phiên bản khác nhau, chẳng hạn như:

Simatic S7 có S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200, S7-1500… Trong đó
mỗi loại S7 có nhiều loại CPU khác nhau như S7-300 có CPU 312, CPU 314,
CPU 316, CPU 315-2DP….
Trong hệ thống điều khiển tự động hoá PLC được xem như một trái tim,
với chương trình ứng dụng được lưu trong bộ nhớ của PLC. Nó điều khiển trạng
thái của hệ thống thông qua tín hiệu phản hồi ở đầu vào, dựa trên nền tảng của
chương trình logic để quyết định quá trình hoạt động và xuất tín hiệu đến các
thiết bị đầu ra. PLC có thể hoạt động độc lập hoặc có thể kết nối với nhau và với
máy tính chủ thông qua mạng truyền thông để điều khiển một quá trình phức
tạp.
b. Ưu thế của việc sử dụng PLC trong tự động hóa.[1,2]
- Thời gian lắp đặt ngắn.
- Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển mà không gây tổn thất.
- Thời gian huấn luyện sử dụng ngắn, bảo trì dễ dàng.
- Độ tin cậy cao, chuẩn hoá được phần cứng điều khiển.Thích ứng trong các môi
trường khắc nghiệt như: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện áp thay đổi,…
Rõ ràng so với hệ thống điều khiển dùng Rơle thì hệ thống điều khiển
dùng PLC có ưu thế tuyệt đối về khả năng linh động, mềm dẻo, và hiệu quả giải
quyết bài toán cao.
10
c. Phần cứng của một trạm PLC S7-300[1,2,3]
PLC S7-300 được thiết kế theo kiểu module. Các module này sử dụng
cho nhiều ứng dụng khác nhau. Việc xây dựng PLC theo cấu trúc module rất
thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mở rộng
hệ thống. Số các module được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng ứng dụng,
song tối thiểu bao giờ cũng có một module chính là module CPU. Các module
còn lại là những module truyền và nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên
ngoài, các module chức năng chuyên dụng… Chúng được gọi chung là các
module mở rộng.
- Các module mở rộng gồm có:

- Module nguồn (PS).
- Modul mở rộng cổng tín hiệu vào/ra (SM) gồm có DI, DO,
DI/DO, AI, AO, AI/AO.
- Module ghép nối (IM).
- Module chức năng điều khiển riêng (FM).
- Module phục vụ truyền thông (CP).
M
COIL
VALE
PS CPU
SM:
DI
SM:
DO
FM
SM:
AI
SM:
AO
IM CP
Hình 2.1: Cấu trúc chung 1 trạm PLC S7-300.
• Modul nguồn PS 307 của PLC S7-300
Module PS307 có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn xoay chiều 120/230V
thành nguồn một chiều 24V để cung cấp cho các module khác của PLC. Ngoài
11
ra còn có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho các cảm biến và các cơ cấu tác động có
công suất nhỏ. Module nguồn thường được lắp đặt bên trái hoặc phía dưới của
CPU tuỳ theo cách lắp đặt theo bề ngang hoặc theo chiều dọc. Module nguồn
PS307 có 3 loại: 2A, 5A và 10 A.
Mặt trước của module nguồn gồm có:

- Một đèn Led báo hiệu trạng thái điện áp ra 24 V.
- Một công tắc dùng để bật / tắt điện áp ra.
- Một nút dùng để chọn điện áp đầu vào là 120 VAC hoặc 230VAC.
- Mặt sau của module gồm có các lỗ dùng để nhận điện áp vào và ra.
Hình 2.2. Module nguồn và khối xử lí trung tâm
• Khối xử lý trung tâm (CPU)
Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ,
các bộ định thời, bộ đếm và cổng truyền thông (RS485)… và có thể có một vài
cổng vào/ra số. Các cổng vào ra số này được gọi là cổng vào ra onboard.
Trong họ PLC S7-300 các module CPU được đặt tên theo bộ vi xử lí có
trong nó, như : module CPU312, module CPU314, module CPU315,…
Ngoài ra còn có các module được tích hợp sẵn cũng như các khối hàm
đặt trong thư viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào /ra
onboard, được phân biệt bằng cụm chữ cái IFM (Intergrated Function Module).
12
Ví dụ module CPU312 IFM, module CPU314 IFM… Bên cạnh đó còn có loại
CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng thứ hai có chức năng chính là
phục vụ nối mạng phân tán và kèm theo phần mềm tiện dụng tích hợp sẵn trong
hệ điều hành. Các loại module CPU này được phân biệt bằng cách thêm cụm từ
DP (Distributed port) trong tên gọi. Ví dụ: module CPU315-2DP, module
CPU316-2DP.
• Module mở rộng cổng tín hiệu
Digital Input Module: Module mở rộng các cổng vào số, có nhiệm vụ
nhận các tín hiệu số từ các thiết bị ngoại vi vào vùng đệm để xử lý, gồm có các
module sau:
 SM 321 DI16xAC120 V
 SM 321 DI16xDC24 V
 SM 321 DI16x24VDC, interrupt
 SM 321 DI8xAC120/230V
 SM 321 DI32xDC24V,…

Digital Output Module: Module mở rộng các cổng ra số, có nhiệm vụ
xuất các tín hiệu từ vùng đệm xử lý ra thiết bị ngoại vi, một số loại module ra
số:
 SM 322 DO16xAC120V/0.5A
 SM 322 DO16xDC24V/0.5A
 SM 322 DO 8xAC120/230V/1A, …
Digital Input/ Output Module: module mở rộng các cổng vào/ra số. Tích
hợp nhiệm vụ của hai loại module trên. Gồm có các loại sau:
 SM 323 DI16/DO16x24V/0.5A
 SM 323 DI8/DO8x24V/0.5A
 SM 323 DI8/DO8xDC24V/0.5A…
Analog Input Module: Module mở rộng các cổng vào tương tự, có nhiệm
vụ chuyển các tín hiệu tương tự từ bên ngoài thành các tín hiệu số để xử lý bên
trong S7-300. Gồm các loại module sau:
13
 SM 331 AI2x12bit
 SM 331 AI8x12bit
 SM 331 AI8x16bit…
Analog Output Module: Module mở rộng các cổng ra tương tự, có nhiệm
vụ chuyển các tín hiệu số bên trong S7-300 thành các tín hiệu tương tự để phục
vụ cho quá trình hoạt động của các thiết bị bên ngoài. Gồm các loại module sau:
 SM 332 AO2x12bit
 SM 332 AO4x12bit
 SM 332 AO4x16bit…
Analog Input/Output Module: là module tích hợp nhiệm vụ của hai loại
trên. Gồm có:
 SM 334 AI4/AO2
 SM 334 AI4/AO2x12bit
 SM 334 AI4/AO4x14/12bit…
Hình 2.3: Module vào ra số (DI/DO) và tương tự (AI/AO)

Module ghép nối (Interface module-IM)
Là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ ghép nối từng nhóm module
mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một module
CPU. Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 racks
và các racks này phải được nối với nhau bằng module IM. Module IM gồm có
các loại:
14
 IM 360
 IM 361
 IM 365
Hình 2.4. Module ghép nối IM
d. Tổ chức bộ nhớ trong CPU của PLC S7-300
Kích thước của các vùng nhớ này tuỳ thuộc vào chủng loại của từng
module CPU. Bộ nhớ của CPU bao gồm các vùng nhớ sau:
- Vùng nhớ chứa các thanh ghi.
- Vùng System Memory.
- Vùng Load Memory.
- Vùng Work Memory.
System Memory: là vùng nhớ chứa các bộ đệm vào ra số (I, Q), các biến
cờ (M), thanh ghi T-Word, PV, T- bít của Timer và thanh ghi C-Word, PV, C-
bít của Counter.
15
Hình 2.5: Các vùng bộ nhớ của CPU
Load Memory: là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng do người sử
dụng viết, bao gồm tất cả các khối chương trình ứng dụng OB, FC, FB, các khối
chương trình trong thư viện hệ thống được sử dụng (SFC, SFB), các khối dữ liệu
DB. Vùng nhớ này được tạo bởi một phần bộ nhớ RAM của CPU và EEPROM.
Work Memory: là vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối
chương trình (OB, FC, FB, SFC, SFB) đang được CPU thực hiện và phần bộ
nhớ cấp phát cho những tham số hình thức để các khối chương trình này trao đổi

tham trị với hệ điều hành và với các khối chương trình khác (local block).
e. Vòng quét chương trình
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là
vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ
cổng vào số tới vùng đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình.
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 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 tra lỗi.
Hình dưới đây biểu diễn vòng quét chương trình của PLC S7-300
16
Truyền thông và kiểm tra nội bộ
chuyển dữ liệu từ cổng vào tới I
Thực hiện chương trình
Chuyển dữ liệu từ Q tới cổng ra
Vòng quét
Hình 2.6. Vòng quét chương trình
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện một vòng quét gọi là thời gian
vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định mà tuỳ thuộc vào số
lệnh trong chương trình được thực hiện và khối lượng dữ liệu được truyền thông
trong vòng quét đó.
Đối với các cổng vào ra tương tự không liên quan tới bộ đệm I và Q nên
các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ
không thông qua bộ đệm.
17
f. Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng
Trong trạm PLC luôn có sự trao đổi dữ liệu giữa CPU với các module mở
rộng thông qua bus nội bộ. Ngay tại đầu vòng quét, các dữ liệu tại cổng vào của
các module số (DI) sẽ được CPU chuyển tới bộ đệm vào số (process image input
table-I). Cuối mỗi vòng quét, nội dung của bộ đệm ra (process image output

table-Q) lại được CPU chuyển tới 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. Nếu
trong chương trình ứng dụng có nhiều lệnh đọc cổng vào số thì cho dù giá trị
logic thực có của các cổng vào này có thể bị thay đổi trong quá trình thực hiện
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 đối nội dung bít nhớ tương ứng trong Q
nên chỉ có giá trị thay đổi cuối cùng mới thực sự 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 đọc giá trị từ địa chỉ thuộc vùng PI (peripheral input) 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 bits ) tới địa chỉ
của vùng PQ (peripheral output), giá trị đó sẽ được gửi ngay tới cổng ra tương tự
của module.
Hình 2.7: Nguyên lý trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng
18
Lệnh 2
Lệnh 1
Lệnh cuối cùng
Vòng quét
OB1
Hình 2.8: Lập trình tuyến =nh
Tuy nhiên miền địa chỉ PI và PQ lại được cung cấp nhiều hơn là số các
cổng vào/ra tương tự có thể có của một trạm. Điều này tạo 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 cần thông qua bộ đệm I và Q.
g. Cấu trúc chương trình
• Lập trình lập tuyến
Lập trình lập tuyến là phương pháp lập trình mà trong đó toàn bộ chương

trình ứng dụng sẽ chỉ nằm trong một khối OB1. Cấu trúc này có ưu điểm là gọn,
rất phù hợp với những bài toán điều khiển đơn giản, ít nhiệm vụ.
• Lập trình cấu trúc
Lập trình cấu trúc là phương pháp lập trình mà trong đó chương trình
được chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và các phần này nằm
trong những khối chương trình khác nhau, tương tự như việc thực hiện chương
trình con. Cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ,
phức tạp và thường sử dụng các khối cơ bản sau:
Khối OB (Orgnization block): là khối tổ chức và quản lý chương trình
điều khiển. Có nhiều loại khối OB với những chức năng khác nhau. Chúng được
phân biệt với nhau bằng một số nguyên đi sau nhóm ký tự OB. Ví dụ: OB1,
OB3, OB40,…
Khối FC (Program block): khối chương trình với những chức năng riêng
giống như một chương trình con hoặc một hàm.
19
Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FC và các khối FC này
được phân biệt với nhau bằng một số nguyên theo sau nhóm ký tự FC. Ví dụ:
FC1, FC2,
Khối FB (Function block): là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi
một lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác. Các dữ liệu này phải
được tổ chức thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data block. Trong một
chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FB và các khối FB này cũng được
phân biệt với nhau bằng một số nguyên theo sau nhóm ký tự FB. Ví dụ: FB1,
FB2,
Khối DB (Data block): là khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện
chương trình. Các tham số của khối do người sử dụng tự đặt. Trong một chương
trình ứng dụng có thể có nhiều khối DB và các khối DB này cũng được phân
biệt với nhau bằng một số nguyên theo sau nhóm ký tự DB. Ví dụ: DB1, DB2,
20
Hình 2.9: Lập trình cấu trúc

Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng các lệnh gọi
khối, chuyển khối. Xem những phần chương trình trong các khối như là những
chương trình con thì S7-300 cho phép gọi chương trình con lồng nhau. Số các
lệnh gọi lồng nhau tuỳ thuộc vào từng chủng loại module CPU.
2.1.2. Tổng quan về phần mềm STEP7 [www.123doc.vn]
STEP7 là phần mềm chuyên dụng, lập trình điều khiển cho PLC của
hãng Siemence ( cộng hòa liên bang Đức). Phần mềm này có ba cửa sổ soạn
thỏa chương trình theo ba ngôn ngữ lập trình khác nhau ( LAD, FBD, STL)
trong đó có ngôn ngữ LAD là ngôn ngữ lập trình rất gần gũi với mọi người.
Hiện nay, STEP7 có các phiên bản sau:
21
STEP7 Micro/Dos và STEP7 Micro/Win dành cho các ứng dụng chuẩn,
đơn giản trên SIMATIC S7-300 và SIMATIC C7-620.
STEP7 mini dành cho các ứng dụng chuẩn, đơn giản trên SIMATIC S7-
300 và SIMATIC S7-620.
STEP7 dành cho các ứng dụng trên SIMATIC S7-300/400, SIMATIC
M7-300 và SIMATIC C7 với chức năng rộng hơn:
Có khả năng gán các thông số cho các modul hàm và các bộ xử lí truyền
thông
Có thể hoạt động được ở chế độ nhiều máy tính.
Nói chung STEP7 có các chức năng cơ bản sau:
Khai báo cấu hình phần cứng cho một trạm PLC S7 300 hoặc S7 400
Xây dựng cấu hình mạng gồm nhiều trạm PLC khác nhau cũng như thủ
tục truyền thông giữa chúng.
Soạn thảo và cài đặt chương trình điều khiển cho một trạm PLC và gỡ
rối chương trình
Ngoài ra STEP7 còn có cả một thư viện đầy đủ với các chuẩn hữu ích,
phần trợ giúp online rất mạnh có khả năng trả lời hầu hết các câu hỏi của người
dùng về cách sử dụng STEP7, các câu lệnh trong khi lập trình….
2.2. Thiết kế mạch động lực cho dây chuyền

Ta xét dây chuyền sản xuất phân bón NPK như hình sau:
22
Hình 2.10. Mô hình sản xuất phân NPK
Ta thấy đây là một dây chuyền rất phức tạp vì nó có 7 khâu sản xuất. Vì
thế việc điều khiển cho dây chuyền hoạt động là một công việc hết sức khó khăn
Để bài toán trở lên đơn giản, dễ dàng trong việc quản lí sau này ta sẽ
chia dây chuyền ra làm năm khâu nhỏ:
- Định lượng và nghiền nguyên liệu
- Trộn nguyên liệu
- Tạo hạt và sấy
- Phân loại và làm nguội
- Đóng bao và lưu kho
a. Định lượng và nghiền nguyên liệu.
23
Hình 2.11. Khâu định lượng và nghiền nguyên liệu
• Nguyên lí hoạt động
Khi ấn start, băng tải 1, băng tải 2, băng tải 3 hoạt động đưa nguyên liệu
vào silo để cân định lượng từng thành phần.
Khi cảm biến 1, 2, 3 báo tương ứng với khối lượng Kali, Ure, DAP đã đủ
thì băng tải 1, 2, 3 sẽ dừng đồng thời van 1, 2, 3 mở ra đưa nguyên liệu xuống
bồn nghiền.
Nguyên liệu xuông bồn nghiền đến khi cảm biến đầy 3 báo ( bồn nghiền
đã đầy) thì van 1, 2, 3 đóng, đồng thời động cơ nghiền hoạt động trong vòng 15
phút. Sau 15 phút, động cơ nghiền dừng lại, van 4 ( van xả bồn nghiền) xả đưa
nguyên liệu sang khâu trộn.
Nguyên liệu được xả cho đến khi cảm biến cạn 1 báo ( bồn nghiền đã
cạn ) thì van 4 đóng lại, dây chuyền tiếp tục hoạt động lại từ đầu.
• Mạch động lực
Từ mô hình trên, ta thấy hệ thống có 3 động cơ truyền động băng tải và 1
động cơ truyền động bồn nghiền. Đây đều là những động cơ không đồng bộ ba

pha roto lồng sóc vì loại động cơ này có kết cấu đơn giản, giá thành hạ, phù hợp
với yêu cầu công nghệ của hệ thống. Từ đó ta có sơ đồ mạch động lực như sau:
24
Hình 2.12. Sơ đồ mạch động lực hệ thống cân định lượng và nghiền
nguyên liệu
Trong đó: M1 là động cơ truyền động băng tải 1
M2 là động cơ truyền động băng tải 2
M3 là động cơ truyền đông băng tải 3
M4 là động cơ truyền động bồn nghiền
Các van trong hệ thống là các van điện từ có cấu tạo gồm 1 nam châm
điện có nắp gắn với cơ cấu mở van. Khi nam châm điện được cấp nguồn thì nó
sẽ hút nắp lại làm cho van mở ra. Khi mất nguồn, lò xo sẽ tác động kéo nắp lại
làm cho van đóng lại.
Các Role nhiệt của các động cơ sẽ bảo vệ động cơ khỏi tình trạng quá
nhiệt. Khi động cơ bị quá nhiệt, các role nhiệt sẽ tác động làm cho tiếp điểm
thường đóng mở ra, ngắt điện vào động cơ, động cơ sẽ dừng hoạt động.
b. Khâu trộn nguyên liệu
25