Tự động hóa quá trình chiết và đóng nắp bia

MỞ ĐẦU
I. Đặt vấn đề
Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển, mục tiêu mà Đảng và Nhà
nước đặt ra là vào năm 2020 Việt Nam sẽ cơ bản trở thành một nước công
nghiệp. Trong điều kiện hiện nay, để thực hiện được điều đó còn vô vàn khó
khăn và thách thức. Đảng và Nhà nước đã chủ động ứng dụng những thành
tựu của khoa học công nghệ hiện đại vào trong quá trình sản xuất nhằm đẩy
nhanh CNH – HĐH đất nước.
Chính vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu cơ bản đem ứng dụng và phát
triển công nghệ tự động hóa trong các quá trình sản xuất là rất quan trọng.
Từ thực tế trên tôi đã thực hiện đề tài “Tự động hóa quá trình chiết và
đóng nắp bia”.
II. Mục đích yêu cầu
Do hạn chế về thời gian và nhiều điều kiện khách quan khác nhau nên đề tài
chỉ nghiên cứu những nội dung sau:
- Nghiên cứu phần mềm simatic S7 – 200.
- Ứng dụng phần mềm Simatic S7_200 để thành lập chương trình điều
khiển quá trình chiết và đóng nắp.
III. Phương pháp nghiên cứu
* Với yêu cầu đặt ra khi tiến hành làm đề tài, chúng tôi đã có phương pháp
nghiên cứu như sau:
- Kế thừa các kết quả nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của các phần mềm
lập trình.
- Tìm hiểu mô hình sản xuất có sẵn trong thực tiễn.
- Nghiên cứu phần mềm lập trình tại phòng thí nghiệm của Bộ môn
Điện kỹ thuật khoa Cơ Điện, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội để thành
lập chương trình điều khiển.

1

CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM SIMATIC S7_200
1.1. Giới thiệu chung về PLC
Tự động hoá (TĐH) ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống
và trong sản xuất. Ngày nay ngành tự động phát triển đến trình độ cao nhờ
những tiến bộ của lý thuyết điều khiển tự động, của những ngành khác như
điện tử và tin học,… Đã có nhiều hệ thống điều khiển ra đời, nhưng phát triển
mạnh mẽ và có khả năng phục vụ rộng rãi là bộ điều khiển PLC
(Programmable Logic Controller).
Kể từ khi bắt đầu xuất hiện vào đầu thập niên 70 của thế kỷ trước như
một thiết bị có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho các mạch logic cứng,
các PLC phát triển rất nhanh chóng cả về phần cứng và phần mềm. Về phần
cứng, các bộ vi xử lý mạnh và bộ nhớ lớn đã thay thế cho các bộ vi xử lý đơn
giản và bộ nhớ khoảng 1KB. Các cổng vào/ra không chỉ tăng về số lượng mà
còn có thể được phân tán. Các cổng tương tự cũng được thêm vào giúp cho
PLC giờ đây không chỉ thích hợp cho điều khiển logic mà còn có thể được sử
dụng rất hiệu quả trong điều khiển quá trình liên tục. Về mặt cấu trúc, các
PLC ngày nay có cấu trúc dạng module linh hoạt. Bên cạnh đó, khả năng nối
mạng góp phần tăng hiệu quả và sức mạnh của các PLC lên nhiều lần khi
chúng hoạt động phối hợp. Về phần mềm, tập lệnh của các PLC ngày nay
không giới hạn ở các lệnh logic đơn giản mà đã trở lên khá phong phú với các
lệnh toán học, truyền thông, bộ đếm, bộ định thời,… Xét về phương diện lập
trình hầu hết các PLC hiện nay vđã xuất hiện từ thời kỳ đầu là LAD – ngôn
ngữ dạng biểu đồ hình thang, FBD – ngôn ngữ dạng biểu đồ khối chức năng
và một ngôn ngữ dạng liệt kê lệnh. Như vậy, bộ điều khiển logic khả trình
(PLC) chứa đựng đầy đủ ba thành phần của khoa học máy tính: phần cứng,
phần mềm và truyền thông.

2

1.1.1. Vai trò của bộ điều khiển PLC
Trong một hệ thống điều khiển, các thiết bị điều khiển có một vai trò
rất quan trọng, là “phần cứng” và là nền tảng để hiện thực hoá các thuật toán,
các chương trình điều khiển. Trong rất nhiều loại thiết bị điều khiển khác
nhau, từ những chiếc rơle đơn giản đến các máy tính công nghiệp hiện đại,
các bộ logic khả trình PLC được sử dụng rất phổ biến, đặc biệt là trong công
nghiệp. Vai trò của bộ PLC là rất quan trọng, cụ thể:
- Trong một hệ thống thiết bị điều khiển tự động, bộ điều khiển PLC
được coi như bộ não có khả năng điều hành toàn bộ hệ thống điều khiển.
- Với một chương trình được nạp vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ xác định
trạng thái của hệ thống thông qua tín hiệu của các thiết bị đầu vào. Sau đó sẽ
căn cứ trên chương trình logic để xác định tiến trình hoạt động đồng thời
truyền tín hiệu tới thiết bị đầu ra.
- PLC có thể được sử dụng để điều khiển các thao tác đơn giản, lặp đi
lặp lại hoặc một vài thiết bị trong số chúng có thể được nối mạng cùng với hệ
thống điều khiển trung tâm hoặc những máy tính trung tâm thông qua một
phần của mạng truyền dẫn.
- Trước kia bộ PLC giá rất đắt, khả năng hoạt động bị hạn chế và quy
trình lập trình rất phức tạp. Ngày nay, với những tiến bộ nhanh chóng trong
công nghệ siêu nhỏ đem lại hiệu năng cao và tối thiểu hoá kích thước, chúng
đã mở ra thị trường mới cho PLC. Các phần cứng điều khiển hoặc các điều
khiển trên máy tính PC (Personal Computer) được mở rộng với chức năng
thực, nay đã có thể điều khiển các quá trình tự động hoá phức tạp.
- Nhiều loại PLC khác nhau bao trùm nhiều chức năng, từ các máy tính
mạng nhỏ và các khối phân tán cho tới các PLC hiệu năng cao, ít lỗi, có tính
module. Chúng khác nhau về tốc độ xử lý, khả năng nối mạng hoặc các
module vào ra. Các PC hiện đại đã cho phép phát triển công cụ lập trình PLC
nhanh chóng trong vòng 10 năm qua. Các phương pháp lập trình PLC truyền
thống như danh sách lệnh, logic bước hoặc sơ đồ hàm hệ thống điều khiển,

cho tới nay đang được áp dụng mạnh mẽ và đang trên con đường đạt đến đỉnh
cao của nó.

3


1.1.2. Ưu điểm của việc dùng PLC trong TĐH
Với khả năng lập trình đơn giản, cùng với sự phát triển của máy tính. Đến nay
bộ điều khiển PLC đạt được những ưu thế cơ bản trong việc ứng dụng điều
khiển các dây chuyền công nghệ:
* Chuẩn bị vào hoạt động nhanh
* Độ tin cậy cao và tuổi thọ ngày càng tăng
* Dễ dàng thay đổi hoặc soạn thảo chương trình
* Sự đánh giá các nhu cầu là đơn giản
* Xử lý tư liệu tự động: Trong nhiều bộ PLC việc xử lý tư liệu được
tiến hành tự động làm cho việc thiết kế điện tử trở nên đơn giản.
* Khả năng tái tạo.
* Tiết kiệm không gian.
* Sự cải biến thuận tiện.
* So với bộ điều khiển bằng rơle thì việc lắp đặt bộ PLC đơn giản hơn
nhiều so với việc lắp đặt bộ điều khiển băng rơle.
* Thích ứng trong môi trường khắc nghiệt: Các PLC có thể làm việc
trong môi trường có nhiệt độ cao, độ ẩm cho phép, sự dao động của điện áp
lớn ...
* Có thể tính toán được giá thành: Khi điều khiển một hệ thống nào đó
ta lập chương trình điều khiển và chọn thiết bị điều khiển. Như vậy với yêu
cầu công nghệ ta có thể lựa chọn được thiết bị và tính toán được chi phí của
một hệ thống điều khiển.
* So với hệ thống điều khiển logic thông thường (dạng kinh điển ) thì
hệ thống điều khiển dùng PLC có những chỉ tiêu ưu việt hơn.

* Ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng.
1.1.3. Giá trị kinh tế của PLC
Khi sử dụng một phương án nào trong điều khiển tự động thì ngoài yếu
tố kỹ thuật chúng ta cũng phải xét đến tính kinh tế của phương án đó để xem
phương án đó có khả thi hay không? Nếu phương án đó khả thi thì cả hai yếu
tố kỹ thuật và kinh tế đều đảm bảo.

4


Do PLC ra đời thay thế cho hệ rơle nên việc so sánh giữa PLC và hệ
rơle đã được các nhà đầu tư tính toán và đưa ra kết quả dưới đây:
Từ hình sau có thể nhận thấy rằng: về mặt kinh tế, việc sử dụng hệ PLC
kinh tế hơn hệ rơle do tổng chi phí của một hệ PLC thấp hơn tổng chi phí cho
một hệ rơle.
Tổng giá trị hệ Rơle

Giá tiền

Tổng giá trị của PLC
Logic mạch cứng
hệ rơle
Phần cứng PLC
Phần cứng hệ
rơle - cuộn từ
Lập trình PLC

Số lượng đầu vào/ra
Hình 1.1: So sánh kinh tế giữa hệ Rơle và PLC
Về mặt kỹ thuật, thì việc sử dụng bộ PLC có một hạn chế là phải dùng

đội ngũ nhân viên có kỹ thuật lành nghề có kinh nghiệm có hiểu biết tốt về
phần mềm để thiết kế lập trình và thao tác bộ PLC. Tuy nhiên với những tính
năng kỹ thuật hơn hẳn hệ rơle, người ta đã sử dụng PLC thay thế cho hệ rơle.

5


1.1.4. Khả năng phát triển của PLC
Với sự phát triển của khoa học công nghệ đặc biệt là công nghệ tích
hợp PLC hiện nay với bộ nhớ dung lượng lớn và CPU tốc độ cao đã làm cho
PLC trở thành phần tử tự động hoá thông dụng đáp ứng tất cả các ứng dụng.
Hệ thống PLC đang dần thay thế thị trường rơle. Sự phát triển của khoa hoc
công nghệ và sự cạnh tranh gay gắt của các hãng sản xuất làm cho giá thành
của PLC ngày càng hạ, việc đầu tư ban đầu cho việc sử dụng PLC càng thấp
đem lại hiệu quả kinh tế ngày càng cao. Chính vì vậy, PLC có một khả năng
rất lớn để trở thành công nghệ chính điều khiển các quá trình tự động hoá
trong tương lai.
1.2. Tìm hiểu về đại số BOOLE
1.2.1 Tóm tắt về đại số BOOLE
Đại số Boole hay còn gọi là đại số logic do George Boole nhà toán học
người Anh sáng tạo vào giữa thế kỷ XIX- so với đại số thường, đại số logic
đơn giản hơn nhiều. Tuy đại số logic cũng dùng chữ biểu hiện biến số, nhưng
biến số logic chỉ lấy giá trị rất đơn giản là 1 và 0, không có giá trị thứ ba nào
nữa, 0 và 1 ở đại số logic không chỉ biểu thị số lượng to nhỏ cụ thể, mà chủ
yếu để biểu thị hai trạng thái logic khác nhau ( ví dụ dùng 1 và 0 để biểu thị
đúng và sai, thật và giả, cao và thấp, có và không có, mở và đóng... ).
Trong đại số logic có một số quy tắc giống với đại số thường, nhưng lại
có một số quy tắc hoàn toàn khác với đại số thường.
1.2.2. Các phần tử logic cơ bản
Tương ứng với ba phép tính logic cơ bản nhất có là và (AND), hoặc

(OR), phủ định (NOT); chúng ta có ba quan hệ logic cơ bản nhất
1. Quan hệ logic AND

6


Một sự kiện chỉ có thể phát sinh khi tất cả mọi điều kiện quyết định sự
kiện đó đều hiện hữu. Quan hệ nhân quả nói trên được gọi là logic AND.
A

B

Đèn

Nguồn điện
Hình 1.2: Mạch điện logic AND
Trong đó : Nếu cả hai khoá A và B đều đóng mạch thì đèn mới sáng.
Sự đóng nối mạch của A, B và sự sáng của đèn là quan hệ logic AND.
Ta viết : Z = A.B
Ta đọc Z bằng A and B
2. Quan hệ logic OR
Một sự kiện vẫn phát sinh khi trong số nhiều điều kiện quyết định sự
kiện đó, chỉ cần một hay một số điều kiện bất kì hiện hữu. Quan hệ nhân quả
nói trên được gọi là logic OR.
A
B
Đèn

Nguồn điện
Hình 1.3: Mạch điện logic OR

Trong đó, nếu A hoặc B, hoặc cả A, B đóng mạch đều làm đèn sáng như
nhau. Sự đóng nối mạch của A, B và sự sáng của đèn là quan hệ logic OR.
Ta viết : Z = A + B
Ta đọc Z bằng A OR B

7


3. Quan hệ logic NOT
Not là đảo, là không.
Trong mạch điện hình 1.4. Khi khoá A nối mạch thì đèn Z tắt, khi khoá
A hở mạch thì đèn Z sáng. Sự đóng nối mạch của A và sự sáng của Z là quan
hệ logic NOT.
Ta viết : Z= A . Dấu ngang trên chữ A biểu thị NOT
Ta đọc : Z bằng NOT A.

R
A

Đèn
Z

Nguồn
điện
Hình 1.4: Mạch điện logic NOT
1.2.3. Thiết kế hệ thống điều khiển logic
Việc lập trình điều khiển (cho PLC) ngày càng trở nên phổ biến do
PLC ngày càng được sử dụng rộng rãi trong quá trình sản xuất. Người lập
trình có thể lập trình trên máy tính và viết ra chương trình theo yêu cầu cụ thể
rồi nạp vào PLC để điều khiển một hệ thống nào đó. Quy trình thực hiện

thường là:
- Nghiên cứu yêu cầu điều khiển
- Xác định số lượng đầu vào và đầu ra
- Viết chương trình điều khiển
- Nạp chương trình vào bộ nhớ PLC
- Cho PLC chạy thử để điều khiển đối tượng
1. Nghiên cứu yêu cầu cần điều khiển của hệ thống

8


Đầu tiên phải xác định thiết bị hoặc hệ thống nào mà chúng ta muốn
điều khiển. Mục đích chủ yếu của bộ điều khiển được lập trình hoá để điều
khiển một hệ thông bên ngoài. Hệ thống được điều khiển có thể là một thiết
bị, máy móc, hoặc quá trình xử lý và thường gọi là hệ thống điều khiển.
2. Xác định số lượng đầu vào và đầu ra
Tất cả các thiết bị nhập xuất cung cấp giao diện giữa hệ thống và thế
giới bên ngoài. Cho phép thực hiện các nối kết, thiết bị cảm ứng… Những
thiết bị xuất là những thiết bị từ tính, những van điện từ, động cơ và đèn chỉ
báo… Thông qua các thiết bị nhập / xuất, chương trình được đưa vào hệ
thống từ bảng chương trình. Mỗi điểm nhập / xuất có một địa chỉ duy nhất có
thể được CPU sử dụng.
3. Viết chương trình điều khiển
Hầu hết các PLC hiện nay vẫn sử dụng ngôn ngữ lập trình quen thuộc
đã xuất hiện từ thời kỳ đầu là Ladder (LAD) – ngôn ngữ dạng biểu đồ thang,
ngôn ngữ dạng liệt kê lệnh Statement List (STL), lưu đồ hệ thống điều khiển
Control System Flowchart (CSF). Nếu chương trình được viết theo kiểu LAD,
thiết bị lập trình sẽ tự tạo ra một chương trình kiểu STL tương ứng.
4. Nạp chương trình vào bộ nhớ
Các chương trình được đưa vào bộ nhớ của PLC bằng thiết bị lập trình.

Các thiết bị lập trình có thể là loại cầm tay, bộ giao tiếp để bàn, hoặc máy
tính. Sau khi hoàn chỉnh phần lập trình, nạp chương trình xuống PLC (Down Load), đọc chương trình từ PLC (upload) theo dõi chương trình để gỡ rỗi
(Monitoring, Debug), theo dõi và thay đổi tham số trực tuyến.
5. Chạy thử chương trình
Để đảm bảo cấu trúc chương trình và các tham số đã cài đặt là chính xác
trước khi đưa vào điều khiển. Chúng ta cần thực hiện việc kiểm tra và phát hiện lỗi

9


thông qua bộ mô phỏng hoặc ghép nối trực tiếp với đối tượng cần điều khiển và
hoàn thiện chương trình theo hoạt động của nó.
Tìm hiểu các yêu cầu
của hệ thống điều khiển

Nối tất cả thiết bị
vào / ra với PLC

Dựng một lưu đồ chung
của hệ thống điều khiển
Kiểm tra tất cả
các dây nối

Liên kết các đầu vào / ra
tương ứng với các đầu
I/O của PLC

Chạy thử chương trình

Phiên dịch lưu đồ sang

giản đồ thang
Sửa lại
phần mềm

Lập trình giản đồ thang
vào PLC

Chương
trình
đúng

Thay đổi
chương trình

Lưu chương trình
vào EPROM

Mô phỏng chương trình
và kiểm tra phần mềm

Sắp xếp có hệ thống
tất cả các bản vẽ
Chương
trình
đúng

Kết thúc

Hình 1.5: Thiết kế mô hình điều khiển trên PLC

10


1.3. Những vấn đề chung về PLC
1.3.1. Thiết bị điều khiển logic lập trình
Thiết bị điều khiển logic lập trình (PLC) là dạng thiết bị điều khiển đặc
biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ các lệnh và
thực hiện các chức năng, chẳng hạn: phép tính logic, lập chuỗi, định giờ đếm,
thuật toán điều khiển máy và các quá trình (Hình1.6). PLC được thiết kế cho
phép các kỹ sư, không yêu cầu kiến thức cao về máy tính và ngôn ngữ máy
tính, có thể vận hành. Chúng không được thiết kế để chỉ các nhà lập trình máy
tính mới có thể cài đặt hoặc thay đổi chương trình. Vì vậy, các nhà thiết kế
PLC phải lập trình sẵn sao cho chương trình điều khiển có thể nhập bằng cách
sử dụng dạng ngôn ngữ đơn giản. Thuật ngữ logic được sử dụng vì việc lập
trình chủ yếu liên quan đến các hoạt động logic thực thi và chuyển mạch. Các
thiết bị nhập, chẳng hạn các bộ cảm biến, các công tắc,… và các thiết bị xuất
trong hệ thống được điều khiển, ví dụ như: các động cơ, các van… được nối
kết với PLC. Người vận hành nhập chuỗi lệnh (chương trình) vào bộ nhớ của
PLC. Thiết bị điều khiển sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo
chương trình này và thực hiện các quy tắc đã được lập trình.
Chương trình

Tín hiệu
ngõ vào

PLC

Tín hiệu ngõ
ra

Hình 1.6: Thiết bị điều khiển logic lập trình
Các PLC có ưu điểm chính là có thể sử dụng cùng một thiết bị điều
khiển cơ bản cho nhiều hệ thống điều khiển. Để sửa đổi hệ thống điều khiển
và các quy tắc đang được sử dụng, người vận hành chỉ cần nhập tập lệnh
khác, không cần mắc nối lại dây. Nhờ đó hệ thống rất linh hoạt và hiệu quả.

11


Các PLC tương tự máy tính, nhưng máy tính được tối ưu hoá cho các
tác vụ tính toán và hiển thị. Còn PLC được chuyên biệt cho các tác vụ điều
khiển trong môi trường công nghiệp. Vì vậy, các PLC:
- Được thiết kế và tăng bền để chịu được rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn.
- Có sẵn giao diện cho các thiết bị nhập và xuất.
- Được lập trình dễ dàng với ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, chủ yếu giải
quyết các phép toán logic và chuyển mạch.
1.3.2. Cấu trúc phần cứng PLC
Hệ thống PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản gồm: bộ xử lý, bộ
nhớ, bộ nguồn, giao diện nhập xuất và thiết bị lập trình.
Thiết bị lập
trình

Bộ nhớ

Giao diện

Bộ xử lý

nhập

Giao diện
xuất

xö lý
Công suất
nguồn
Hình 1.7: Hệ thống PLC

12


1.3.3. Cơ cấu chung của hệ thống PLC
Có hai kiểu cơ cấu thông dụng đối với các hệ thống PLC: kiểu hộp đơn,
và kiểu module nối ghép. Kiểu hộp đơn thường được sử dụng cho các thiết bị
điều khiển lập trình cỡ nhỏ và được cung cấp dưới dạng nguyên chiếc hoàn
chỉnh gồm bộ nguồn, bộ xử lý, bộ nhớ và các thiết bị nhập xuất (hình 1.8. a).
Thông thường bộ PLC này có thể có 40 điểm nhập xuất và bộ nhớ có thể lưu
trữ khoảng 300-1000 lệnh hướng dẫn. Kiểu module gồm các module riêng
cho bộ nguồn, bộ xử lý,..., chúng thường được lắp trên các rãnh bên trong hộp
kim loại. Kiểu này có thể được sử dụng cho các thiết bị điều khiển lập trình
với mọi kích cỡ, có nhiều bộ chức năng khác nhau được gộp vào các module
riêng biệt, có thể được cắm vào ổ cắm trên rãnh chính (hình 1.8. b). Sự phối
hợp các module cần thiết tuỳ theo công dụng cụ thể do người dùng xác định.
Vì vậy, kiểu này khá linh hoạt, cho phép mở rộng số lượng đầu nối nhập xuất
bằng cách bổ xung các module nhập xuất hoặc tăng cường bộ nhớ bằng cách
tăng thêm đơn vị nhớ.
Các chương trình được đưa vào bộ nhớ của PLC bằng thiết bị lập trình,
thiết bị này không nối kết cố định với PLC, và có thể chuyển từ thiết bị điều
khiển này đến thiết bị điều khiển khác mà không làm xáo trôn các hoạt động.
PLC có thể vận hành mà không cần nối kết với thiết bị lập trình, sau khi

chương trình được tải vào bộ nhớ của PLC.
Các thiết bị lập trình có thể là loại cầm tay, bộ giao diện để bàn, hoặc
máy tính. Các hệ thống cầm tay có bàn phím nhỏ và màn hình tinh thể lỏng.

13


Các ngõ vào

Ổ cắm cáp từ
thiết bị giao
tiếp lập trình

Các ngõ ra
a

Các modul nhập

b
Bộ nguồn

Bộ xử lý

Các module xuất

Nối kết đến thiết bị giao
tiếp lập trình
Hình 1.8:

(a) Kiểu hộp đơn

(b) Kiểu module/nối ghép
Các thiết bị để bàn có thể có bộ hiển thị với bàn phím hoàn chỉnh và
màn hình hiển thị. Các máy tính cá nhân được lập cấu hình như các trạm làm
việc phát triển chương trình. Một số PLC đòi hỏi máy tính phải có phần mềm
tương ứng, số khác chỉ cần Card truyền thông chuyên dùng để giao tiếp với
PLC. Ưu điểm chính khi sử dụng máy tính là chương trình có thể được lưu
trên đĩa cứng hoặc đĩa mềm và dễ dàng thực hiện các bản sao. Nhược điểm là
việc lập trình thường khó thực hiện. Các thiết bị giao tiếp lập trình cầm tay
thường có bộ nhớ đủ để lưu giữ chương trình trong khi vận chuyển từ vị trí
này đến vị trí khác.
Chương trình chỉ được chuyển vào bộ nhớ của PLC khi đã được viết
hoàn chỉnh trên thiết bị lập trình.

14


1.3.4. Cấu trúc bên trong
1. CPU
Cấu hình CPU tuỳ thuộc vào bộ vi xử lý, nói chung CPU có:
* Bộ thuật toán và logic (ALU) chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu, thực
hiện các phép toán số học và các phép toán logic.
* Bộ nhớ, còn gọi là các thanh ghi, bên trong bộ vi xử lý, được sử dụng
để lưu trữ thông tin liên quan đến sự thực thi chương trình.
* Bộ điều khiển được sử dụng để điều khiển chuẩn thời gian của các
phép toán.

Hình 1.9: Cấu trúc của PLC

15

2. Bus
Bus là các đường dẫn dùng để truyền thông bên trong PLC. Thông tin
được truyền theo dạng nhị phân, nhóm bit, mỗi bit là một số nhị phân 1 hoặc
0, tương ứng với các trạng thái on/off. Thuật ngữ từ được sử dụng cho nhóm
bit tạo thành thông tin nào đó. Hệ thống PLC có bốn bus:
* Bus dữ liệu tải dữ liệu được sử dụng trong quá trình xử lí của CPU.
Bộ vi xử lí 8 bit có một bus dữ liệu nội có thể thao tác các số 8 bit, có thể thực
hiện phép toán giữa các số 8 bit và phân phối kết quả theo số 8 bit.
* Bus địa chỉ được sử dụng để tải địa chỉ các vị trí trong bộ nhớ. Như
vậy, mỗi từ có thể được định vị trong bộ nhớ, mỗi vị trí nhớ được gán một địa
chỉ duy nhất. Mỗi vị trí từ được gán một địa chỉ sao cho dữ liệu được lưu trữ
ở vị trí nhất định, để CPU có thể đọc và ghi ở đó. Bus địa chỉ mang thông tin
cho biết địa chỉ sẽ được truy cập. Nếu bus địa chỉ gồm 8 đường, số lượng từ 8
bit, hoặc số lượng địa chỉ phân biệt là 2 8 = 256. Với bus địa chỉ 16 đường, số
lượng địa chỉ khả dụng là 65.536.
* Bus điều khiển mang các tín hiệu được CPU sử dụng để điều khiển;
ví dụ, để thông báo cho các thiết bị nhớ nhận dữ liệu từ thiết bị nhập hoặc
xuất dữ liệu, và tải các tín hiệu chuẩn thời gian được dùng để đồng bộ hoá các
hoạt động.
* Bus hệ thống được dùng để truyền thông giữa các cổng
nhập/xuất và thiết bị nhập/xuất.
3. Bộ nhớ
Còn gọi là các thanh ghi, bên trong bộ vi xử lý, được sử dụng để lưu
giữ thông tin, lưu giữ chương trình cho các hoạt động điều khiển. Trong hệ
thống PLC có nhiều loại bộ nhớ:
* Bộ nhớ chỉ đọc (ROM) cung cấp dung lượng lưu trữ cho hệ điều
hành và dữ liệu cố định được CPU sử dụng.

16


* Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) dành cho chương trình của người
dùng.
* Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) dành cho dữ liệu. Đây là nơi
lưu trữ thông tin theo trạng thái của thiết bị nhập, xuất, các giá trị của đồng hồ
thời chuẩn, các bộ đếm và các thiết bị nội vi khác. Một phần của bộ nhớ này,
khối địa chỉ, dành cho các địa chỉ ngõ vào và ngõ ra, cùng với trạng thái các
ngõ vào và ngõ ra đó. Một phần dành cho dữ liệu được cài đặt trước, một
phần khác dành để lưu trữ các giá trị của bộ đếm, các giá trị của đồng hồ thời
chuẩn, v.v…
* Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được (EPROM) là các ROM
có thể lập trình, sau đó trương trình này được thường trú trong ROM.
Người dùng có thể thay đổi chương trình và dữ liệu trong RAM. Tất cả
các PLC đều có một lượng RAM để lưu chương trình do người dùng cài đặt
và dữ liệu chương trình. Tuy nhiên, để tránh mất mát chương trình khi nguồn
công suất bị ngắt, PLC sử dụng ắc quy để duy trì nội dung RAM trong một
thời gian. Sau khi được cài đặt vào RAM, chương trình có thể được tải vào vi
mạch của bộ nhớ EPROM, thường là các module có khoá với PLC, do đó
chương trình trở thành vĩnh cửu. Ngoài ra còn có bộ đệm tạm thời, lưu trữ các
kênh nhập/xuất.
4. Thiết bị nhập/xuất
Thiết bị nhập / xuất cung cấp giao diện giữa hệ thống và thế giới bên
ngoài, cho phép thực hiện các nối kết, thông qua các kênh nhập / xuất thông
qua thiết bị nhập và các thiết bị xuất.
1.3.5. Ngôn ngữ lập trình trên PLC
Để biểu diễn chương trình điều khiển trên PLC, có ba phương pháp
biểu diễn là:

17


- Sơ đồ hình thang LAD (Ladder Diagram): Phương pháp này có cách
biểu diễn chương trình tương tự như sơ đồ tiếp điểm dùng rơle trong sơ đồ
điện công nghiệp.
- Lưu đồ hệ thống điều khiển CSF (Control System Flowchart):
Phương pháp này có cách biểu diễn chương trình như sơ đồ không tiếp điểm
dùng các cổng logic. Theo phương pháp này, các tiếp điểm ghép nối tiếp
được thay thế bằng cổng AND(&), các tiếp điểm ghép song song được thay
thế bằng cổng OR(>=1), các tiếp điểm thường đóng thì có cổng NOT(-1).
Phương pháp này thích hợp cho đối tượng sử dụng có kiến thức về điện tử đặc biệt về mạch số.
- Liệt kê danh sách lệnh STL (Statement List): Phương pháp STL dùng
các từ viết tắt gợi nhớ để lập công thức cho việc điều khiển, tương tự với
ngôn ngữ assembler ở máy tính. Phương pháp này thích hợp cho đối tượng
làm việc trong lĩnh vực tin học.
Ba phương pháp biểu diễn chương trình điều khiển trên PLC để dành
cho người sử dụng thuộc 3 lĩnh vực:
- Ngành Điện công nghiệp thường dùng phương pháp LAD.
- Ngành Điện tử thường dùng phương pháp CSF.
- Ngành Tin học thường dùng phương pháp STL.
Có loại PLC có thể sử dụng cả ba phương pháp biểu diễn trên( như Simatic
S5), có loại chỉ sử dụng được hai phương pháp biểu diễn (simatic S7), hay có loại
chỉ sử dụng được một phương pháp biểu diễn ( như Logo và Easy).
1.4. Khái niệm chung về Simatic S7_200
1.4.1. Giới thiệu chung
S7 – 200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng
Siemens (CHLB Đức), có cấu trúc theo kiểu module và có các module mở
rộng. Các module này được sử dụng cho nhiều những ứng dụng lập trình khác

18


nhau. Thành phần cơ bản của S7 – 200 là khối vi xử lý trung tâm CPU. Hiện
tại, nhờ tiến bộ của khoa học công nghệ đã cho ra đời các thế hệ S7 – 200 ứng
với các CPU212, CPU214,… đến CPU221, CPU222,

CPU224, CPU226 .

Về hình thức bên ngoài, sự khác nhau của các loại CPU này được nhận biết
nhờ số đầu vào/ra và nguồn cung cấp.
Ví dụ: - CPU212 có 8 cổng vào và 6 cổng ra và có khả năng được mở
rộng bằng 2 module mở rộng.
- CPU214 có 14 cổng vào và 10 cổng ra và có khả năng được mở
rộng bằng 7 module mở rộng.
S7 – 200 có nhiều loại module mở rộng khác nhau.
Sau đây là hình ảnh một số S7 – 200 với các CPU tương ứng:

a

b

c

d

Hình1.10: Hình ảnh một số simatic S7 - 200

19

Thiết bị điều khiển chúng tôi sử dụng trong đề tài là Simatic S7 – 200
CPU224, vì vậy chúng tôi chỉ trình bày cấu trúc của Simatic S7 – 200
CPU224
2.4.2 Cấu trúc của Simatic S7 – 200 CPU224 (hình 1.11)
CPU 224 có đầy đủ tính năng của các CPU phiên bản trước cùng với
những cải tiến đáng kể về kỹ thuật.
1. Đặc điểm kỹ thuật của CPU 224
- Với kích thước nhỏ gọn dài x rộng x cao = 120,5 x 80 x 62 mm với trọng
lượng 360g tiết kiệm không gian tủ. Dùng để kết nối trực tiếp với cảm biến và bộ
mã hoá với dòng điện 280mA có thể được sử dụng như một dòng điện tải.

Hình 1.11: Simatic S7 - 200 với khối vi xử lý 224
- Tích hợp đầu vào/ra số: CPU 224 có 14 đầu vào và 10 đầu ra.
- Bộ nhớ chương trình 8KB, bộ nhớ dữ liệu 5 KB.
- Giao diện có khả năng lập trình sử dụng (Free Port) với khả năng xử lý ngắt
đối với việc trao đổi chuỗi dữ liệu với các thiết bị không phải của Siemens. Cáp
PC/PPI có thể được sử dụng như một chuẩn nối tiếp RS232/RS485

20


- Kết nối với bus mở rộng của thiết bị mở rộng ( chỉ có EMS của chuẩn 22x
có thể được sử dụng ). Các đầu vào ngắt, cho phép PLC phản ứng với tốc độ cao
đối với các biến tăng hoặc giảm của các tín hiệu xử lý.
- Hai xung đầu ra tần số cao (max, 20KHz) sử dụng trong việc xác định vị trí
và kiểm soát tốc độ môtơ điều chỉnh theo tần số và môtơ bước thông qua các mạch
điện.
- Chức năng kiểm tra và chuẩn đoán: Chức năng này hỗ trợ cho việc kiểm tra
và chuẩn đoán để dễ sử dụng. Chương trình đầy đủ được chạy theo số lượng chu kỳ

xác định trước và được phân tích. Thiết bị bên trong như bit nhớ, bộ định thời, bộ
đếm, được ghi cùng một lúc tối đa là 124 chu kỳ. Các đầu vào/ra có thể được cài đặt
độc lập theo chu kỳ và vì thế thường xuyên kiểm tra chương trình của người sử
dụng.
- Các chương trình có thể được biên tập, sửa đổi có thể tải vào CPU chỉ bằng
một cái kích chuột, mà chương trình đang sử dụng không bị ngắt.
- CPU 224 không thể lập trình bằng việc sử dụng Step7- Micro/Dos. Để lập
trình thông qua bộ giao diện nối tiếp của thiết bị lập trình/PC, đòi hỏi một cáp
PC/PPI Khi sử dụng phần mềm lập trình STEP7- Micro/Win32, việc lập trình có
thể thông qua SIMATIC CPS CP551 hoặc CP5611 (SEE SIMATIC NET) hoặc
giao diện MPI của thiết bị lập trình. Điều này làm tăng tối đa tốc độ truyền chấp
nhận được lên đến 187,5 Kbit/s.
Để tăng khả năng của bộ điều khiển trong các ứng dụng thực tế mà ở đó
phần lớn các đối tượng điều khiển có số lượng đầu vào/ra cũng như chủng loại tín
hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ PLC được thiết kế không bị cứng hoá về cấu hình,
vì vậy chúng bị chia nhỏ thành các module. PLC S7 – 200 có nhiều loại module mở
rộng khác nhau. Các module mở rộng vào/ra số hoặc các cổng vào ra tương tự, các
tín hiệu đầu ra có thể là điện áp 24VDC hoặc rơle.
2. Mô tả các đèn báo trên CPU
- Đèn đỏ SF: báo hiệu hệ thống PLC có hư hỏng

21


- Đèn xanh RUN: báo hiệu PLC đang làm việc
- Đèn vàng STOP: chỉ định PLC đang ở chế độ dừng
- Đèn xanh Ix.x: Chỉ trạng thái tức thời của cổng vào Ix.x. Đèn này
báo tín hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.
- Đèn xanh Qx.x: Đèn này báo hiệu trạng thái tức thời của cổng ra
Qx.x, trạng thái tín hiệu đầu ra theo giá trị logic của cổng.

3. Cổng truyền thông:
S7 200 sử dụng cổng RS485 với phích nối 9 chân để phục vụ cho việc
ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với trạm PLC khác. Tốc độ truyền cho
máy lập trình ( kiểu PPI ) là 9600 baud. Tốc độ cung cấp của PLC theo kiểu
tự do là từ 300 đến 38400 baud.
S7 200 khi ghép nối với máy lập trình PG702 hoặc các máy lập trình
thuộc họ PG7xx có thể sử dụng cáp nối thẳng qua MPI . Cáp đó kèm theo
máy lập trình.
Ghép nối máy tính PC qua cổng RS 232 cần có cáp nối PC/PPI với bộ
chuyển đổi RS232 /RS 485.
4. Công tắc chọn chế độ làm việc cho CPU 224
Công tắc chọn chế độ làm việc có ba vị trí cho phép lựa chọn các chế
độ làm việc khác nhau cho CPU 224
- RUN cho phép PLC thực hiện chương trình. PLC S7 200 sẽ rời khỏi
chế độ RUN và chuyển sang chế độ STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong
chương trình gặp lệnh STOP, thậm chí ngay cả khi công tắc ở chế độ RUN.
Nên qua trạng thái thực tại của PLC theo đèn báo.
- STOP cưỡng bức PLC dừng công việc thực hiện chương trình đang
chạy và chuyển sang chế độ STOP. Ở chế độ STOP, PLC cho phép hiệu chỉnh
lại chương trình hoặc nạp lại chương trình mới.
- TERM cho phép máy lập trình quyết định một trong chế độ làm việc
hoặc ở RUN hoặc ở STOP.

22


5. Cấu trúc bộ nhớ của CPU 224
Bộ nhớ của PLC S7 200 được chia làm 4 vùng với một tụ có nhiệm vụ
duy trì dữ liệu trong khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn. Bộ nhớ của
S7 200 có tính năng động cao, đọc và ghi trong toàn vùng, loại trừ các bit nhớ

đặc biệt chỉ có thể truy cập để đọc.
- Vùng chương trình: Là miền bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ các lệnh
chương trình. Vùng này thuộc kiểu non- volatile đọc ghi được.
- Vùng tham số: Là miền lưu giữ các tham số như : từ khóa, địa chỉ
trạm... Cũng giống như vùng chương trình, vùng tham số đọc /ghi được.
- Vùng đối tượng: Bao gồm Timer, bộ đếm tốc độ cao và các đầu ra
tương tự. Vùng này không thuộc kiểu non- volatile nhưng đọc /ghi được.
- Vùng dữ liệu: Vùng dữ liệu là vùng có ý nghĩa quan trọng trong việc
thực hiện chương trình . Nó là miền nhớ động, có thể truy cập theo từng bit,
từng byte, từ đơn hoặc từ kép.
Vùng dữ liệu lại chia thành nhiều miền nhớ nhỏ với các công dụng khác
nhau. Các vùng đó gồm:
V - Variable memory (Miền nhớ).
I - Input image register (Bộ đệm cổng vào).
O - Output image register (Bộ đệm cổng ra).
M - Internal memory bits (Vùng nhớ nội).
SM - Special memory bits (Vùng nhớ đặc biệt).
6. Kết nối PLC
- Kết nối dây cung cấp cho CPU và các đầu vào ra của CPU.
Việc kết nối dây nguồn cung cấp cho CPU và nối các đầu vào/ra của
CPU được mô tả như trên hình1.12.
Qua sơ đồ kết nối chúng ta thấy rằng nguồn cung cấp cho các đầu vào,
đầu ra của CPU là 24VDC

23


Tất cả các đầu cuối của S7-200 được nối đất để đảm bảo an toàn và để
khử nhiễu cho tín hiệu điều khiển.
Nguồn cung cấp cho cảm biến cũng là 24VCD cũng là một chiều có thể

sử dụng cho các đầu vào cơ sở, các module mở rộng và các cuộn dây rơ le mở
rộng.

Hình 1.12: Sơ đồ kết nối PLC
7. Các module mở rộng
CPU 224 không thể lập trình bằng việc sử dụng Step7- Micro/Dos. Để lập
trình thông qua bộ giao diện nối tiếp của thiết bị lập trình/PC, đòi hỏi một cáp
PC/PPI Khi sử dụng phần mềm lập trình STEP7- Micro/Win32, việc lập trình có
thể thông qua SIMATIC CPS CP551 hoặc CP5611 (see SIMATIC NET) hoặc
giao
diện MPI của thiết bị lập trình. Điều này làm tăng tối đa tốc độ truyền chấp nhận
được lên đến 187,5Kbit/s.

24


PLC S7 – 200 có nhiều loại module mở rộng khác nhau. Các module mở
rộng vào/ra số hoặc các cổng vào ra tương tự, các tín hiệu đầu ra có thể là điện áp
24VDC hoặc rơle.
Dưới đây là một số loại module mở rộng của S7 – 200: Được thể hiện
trong bảng sau:
Bảng 1.1: Thông số một số module mở rộng
Loại

Số lượng

Số lượng

Tín hiệu

Tín hiệu

Kích thước

Modul

đầu vào

đầu ra

đầu vào

đầu ra

Rộng x cao x sâu (mm)

e
EM221
EM222
EM223
EM231
EM232
EM235

8
8
4 4 16
4
0
4

0
0
4 4 16
0
2
1

24VDC
0
24VDC
Analog
Analog
Analog

0
24VDC
24VDC
0
Analog
Analog

46 x 80 x62
(46 4 173,3) x 80 x 62
71,2 x 80 x62
46 x 80 x 62
71,2 x 80 x62

25