ứng dụng lập trình PLC để đo và cảnh bảo mức nước trong bể và đồng thời cũng đo và điều chỉnh áp suất trên đường ống bơm nước

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ
NỘI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập -Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU GIAO
ĐỒ ÁN HỌC PHẦN 3 VÀ 4 (VI ĐIỀU KHIỂN, VI XỬ LÝ, SCADA)
Giảng viên hướng dẫn :
Nhóm :…6…Lớp ĐH Tự động hóa 1 –K5

Page 1

Khoa :Điện


NỘI DUNG ĐỀ TÀI 3:
Cho hệ thống bơm nước:

Trong đó :
-

P : Điểm đo áp suất ( có điều khiển và cảnh báo) có dải đo [ 0 – 5 ] bar, Điểm
đặt là 3.5 bar.
L : Điểm đo mức ( cảnh báo ) : có dải đo [ 0 – 5 )m.
RUN : Đèn báo hệ thống đang làm việc.
HAP : Đèn cảnh báo áp suất cao ( lớn hơn 4.5 bar).
LAL : Đèn cảnh báo mức thấp ( nhỏ hơn 1.0m).
HAL : Đèn cảnh báo mức Cao ( lớn hơn 4.0 m).
START , STOP : Hai nút ấn khởi động và dừng hệ thống.

Page 2


Phần báo cáo:
Chương 1.Cơ sở lý thuyết
1.1 Mục đích
1.2 Phương pháp đo( tùy theo đề tài là đại lượng đo gì?)
1.3 Tìm hiểu về PLC (loại PLC mà mình lựa chọn)
1.3.1 khái quát về PLC
1.3.2 Các mô đun,đối tượng mở rộng (liện quan đến đại lượng đo)
1.4 Tìm hiểu về HMI (WinCC,OPC)

Chương 2.Thiết kế hệ thống
2.1 Lựa chọn thiết bị (các thiết bị liên quan đến đại lượng đo và cơ cấu chấp
hành mà đề tài thực hiện).
2.2 Xây dựng sơ đồ khối,sơ đồ đấu dây.
2.3 Xây dựng thuật toán.
2.4 Xây dựng phần mềm.
2.5 Thiết kế giao diện HMI.
Chương 3.Kết quả đề tài
3.1 kết quả nghiên cứu lý thuyết.
3.2 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm.
Kết luận
Phụ lục

Lời nói đầu

Page 3

Trong công nghiệp hiện đại hóa đất nước,yêu cầu ứng dụng tự động hóa
ngày càng cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất ( yêu cầu điều khiển tự
động,linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ ). Mặt khác nhờ công nghệ thông tin, công nghệ
điện tử đã phát triển nhanh chóng làm xuất hiện một loạt thiết bị điều khiển khả
trình PLC.
Để thực hiện công việc một cách khoa học nhằm đạt được số lượng sản
phẩm lớn,nhanh và mang lại hiệu quả về kinh tế;các công ty,xí nghiệp thướng sử
dụng công nghệ lập trình PLC sử dụng các loại phần mềm tự động. dây chuyền sản
xuất tự động PLC giảm sức lao động của công nhân,sản xuất đem lại hiểu quả kinh
tế cho đời sống xã hội. Trong đề đồ án môn học này, chúng em có đề cập đến việc
ứng dụng lập trình PLC để đo và cảnh bảo mức nước trong bể và đồng thời cũng đo
và điều chỉnh áp suất trên đường ống bơm nước. Đây chính là một trong những đề
tài thiết thực với thực tiễn cuộc sống bởi nguồn nước sạch đang ngày càng khan
hiếm. Việc sử dụng nước hợp lý và tiết kiệm,an toàn là rất quan trọng. Vì vậy với đề
tài này chúng em hi vọng sẽ phần nào giải quyết được vấn đề đó với hệ thống điều
khiển bằng PLC.
Dưới sự hướng dẫn của cô Nguyễn Thu Hà và thầy Đỗ Duy Phú, chúng em đã hoàn
thiện lượng kiến thức mà cô đã hướng dẫn. Tuy nhiên trong quá trình làm đề tài
này,do thời gian có hạn và vốn kiến thức thực tế không nhiều nên sẽ không tránh
khỏi sai sót, mong nhận được sự góp ý của cô để đề tài của chúng em được hoàn
thiện hơn.

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn
………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………

Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Page 4


1.1 Mục đích
Nguồn nước rất quan trọng đối với sự sống và mọi hoạt động của con người,
nguồn nước ở một số nơi trên thế giới rất là khan hiếm và tình trạng ô nhiễm
nguồn nước ngày càng gia tăng. Trước thực trạng ấy chúng ta cần phải có giải
pháp để khai thác và sử dụng nguồn nước sạch 1 cách hiệu quả và tiết
kiệm,đồng thời cũng đảm bảo sự an toàn cho hệ thống. Muốn làm được điều
này,chúng ta phải đưa hệ thống điều khiển vào bể chứa để đo và cảnh báo mức
nước trong bể dùng PLC,qua đó duy trì mức nước trong bể ở trong giới hạn
mức cho phép;đồng thời chúng ta cũng ứng dụng PLC để đo và điều khiển áp
suất trên đường ống của máy bơm. Khi đó nước sẽ được bơm và sử dụng một
cách hợp lý.
1.2 Phương pháp đo
Để trình bày phương pháp đo, chúng em giả sử các điều kiện làm việc của hệ
thống là lí tưởng, không có sự ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài tác động vào
hệ thống. Đồng thời chọn đường ống loại nhựa PVC có thể chịu được giá trị áp
suất tới 10 Bar và bể nước có độ cao là 5m. Trong hệ thống này sẽ có hai đối
tượng cần đo chính là áp suất đường ống và mức nước trong bể chứa. Trước
hết chúng em xin trình bày phương pháp đo và cảnh báo mức nước.
1.2.1 Phương pháp đo và phát hiện chất lưu.

Có ba phương pháp đo và phát hiện chất lưu:
- Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện.
- Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu.
- Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu.
Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện

Phương pháp thuỷ tĩnh dùng để đo mức chất lưu trong bình chứa. Trên hình 1.1
giới thiệu một số sơ đồ đo mức bằng phương pháp thuỷ tĩnh.

Page 5


Hình 1.1
Sơ đồ đo mức theo phương pháp thuỷ tĩnh
a) Dùng phao cầu b) Dùng phao trụ c) Dùng cảm biến áp suất vi sai
Trong sơ đồ hình 1.1a, phao (1) nổi trên mặt chất lưu được nối với đối trọng (5)
bằng dây mềm (2) qua các ròng rọc (3), (4). Khi mức chất lưu thay đổi, phao (1)
nâng lên hoặc hạ xuống làm quay ròng rọc (4), một cảm biến vị trí gắn với trục
quay của ròng rọc sẽ cho tín hiệu tỉ lệ với mức chất lưu.
Trong sơ đồ hình 20.20b, phao hình trụ (1) nhúng chìm trong chất lưu, phía trên
được treo bởi một cảm biến đo lực (2). Trong quá trình đo, cảm biến chịu tác động
của một lực F tỉ lệ với chiều cao chất lưu:

Trong đó:
P - trọng lượng phao.
h - chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao.
S - tiết diện mặt cắt ngang của phao.
ρ - khối lượng riêng của chất lưu.
g - gia tốc trọng trường.
Trên sơ đồ hình 20.20c, sử dụng một cảm biến áp suất vi sai dạng màng (1) đặt sát
đáy bình chứa. Một mặt của màng cảm biến chịu áp suất chất lưu gây ra:

Mặt khác của màng cảm biến chịu tác động của áp suất p 0 bằng áp suất ở đỉnh bình
chứa. Chênh lệch áp suất p - p 0 sinh ra lực tác dụng lên màng của cảm biến làm nó
biến dạng. Biến dạng của màng tỉ lệ với chiều cao h của chất lưu trong bình chứa
được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổi điện thích hợp.

Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu
Các cảm biến đo mức bằng phương pháp điện hoạt động theo nguyên tắc
chuyển đổi trực tiếp biến thiên mức chất lỏng thành tín hiệu điện dựa vào tính chất
điện của chất lưu. Các cảm biến thường dùng là cảm biến mức độ dẫn và cảm biến
điện dung.
Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu
Cảm biến bức xạ cho phép đo mức chất lưu mà không cần tiếp xúc với môi
trường đo, ưu điểm này rất thích hợp khi đo mức ở điều kiện môi trường đo có
nhiệt độ, áp suất cao hoặc môi trường có tính ăn mòn mạnh.
Page 6


Trong phương pháp này cảm biến gồm một nguồn phát tia (1) và bộ thu (2)
đặt ở hai phía của bình chứa. Nguồn phát thường là một nguồn bức xạ tia γ
(nguồn 60Co hoặc 137Cs), bộ thu là một buồng ion hoá. Ở chế độ phát hiện mức
ngưỡng (hình 20.21a), nguồn phát và bộ thu đặt đối diện nhau ở vị trí ngang mức
ngưỡng cần phát hiện, chùm tia của nguồn phát mảnh và gần như song song. Tuỳ
thuộc vào mức chất lưu (3) cao hơn hay thấp hơn mức ngưỡng mà chùm tia đến bộ
thu sẽ bị suy giảm hoặc không, bộ thu sẽ phát ra tín hiệu tương ứng với các trạng
thái so với mức ngưỡng.
Ở chế độ đo mức liên tục (hình 1.1b), nguồn phát (1) phát ra chùm tia với một góc
mở rộng quét lên toàn bộ chiều cao của mức chất lưu cần kiểm tra và bộ thu.

Hình1.2
Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ
a) Cảm biến phát hiện ngưỡng b) Cảm biến đo mức liên tục
1) Nguồn phát tia bức xạ 2) Bộ thu 3) Chất lưu
Khi mức chất lưu (3) tăng do sự hấp thụ của chất lưu tăng, chùm tia đến bộ thu (2)
sẽ bị suy giảm, do đó tín hiệu ra từ bộ thu giảm theo. Mức độ suy giảm của chùm tia
bức xạ tỉ lệ với mức chất lưu trong bình chứa

 Vậy trong 3 phương pháp đo trên,với đề tài này chúng em sử dụng phương

pháp thứ 3 là phương pháp bức xạ để đo mức chất lưu trong bể chứa.

Ưu điểm của phương pháp này :
-

thích hợp khi đo mức ở điều kiện môi trường đo có nhiệt độ, áp suất cao
hoặc môi trường có tính ăn mòn mạnh.
Độ chính xác cao và ít sai lệch theo thời gian.
Dễ lắp đặt do không tiếp xúc với nước.

1.2.2. phương pháp đo áp suất

Áp suất hay còn gọi là ứng suất nén, có những đặc tính đặc biệt mà ảnh hưởng
tới các phương thức đo như:

Page 7


- Áp suất thường được đo bằng các đơn vị lực/diện tích.
- Nó tồn tại ở các lưu chất tĩnh và động.
- Áp suất lưu chất thường được đo là một giá trị vi sai so với một cái khác.
Hai kiểu đo áp suất có thể chia thành 3 nhóm sau:
* Áp suất tuyệt đối: được đo so với chân không tuyệt đối, hoàn toàn bỏ qua ảnh
hưởng của áp suất khí quyển. Phương pháp đo này được sử dụng chủ yếu để
nghiên cứu hoặc thiết kế, nhưng có một số ứng dụng mà giá trị đọc tuyệt đối lại
có ích khi đặt trong điều kiện cụ thể của quá trình. Bởi vì trên thực tế khó có thể
hút một chân không tuyệt đối bên trong vỏ cảm biến, các cảm biến thường điều
chỉnh giá trị đọc của thiết bị đo bằng cách sử dụng hệ số sửa cố định hoặc các

đơn vị phức tạp hơn sử dụng một áp suất khí áp đã được đo.
* Áp suất vi sai: là áp suất trong một khu vực hoặc một đường ống khi được so
với áp suất khác. Giá trị đọc là sự chênh lệch giữa hai áp suất và không tính đến
áp suất của hai bên so với áp suất của khí quyển hoặc chân không.
* Áp suất calip: là một dạng của áp suất vi sai, là áp suất ở một khu vực hoặc
đường ống so với áp suất khí quyển. Loại này được áp dụng phổ biến nhất.
Hai đơn vị đo áp suất phổ biến nhất là “psi” và “bar”. Cả psi và bar đều sử dụng
hậu tố “a” hoặc “g” để chỉ áp suất tuyệt đối (absolute pres-sure) hoặc áp suất
calip (gage pres-sure). Khi không sử dụng hậu tố thì người ta giả định đó là áp
suất calip. Trong khi psi chủ yếu vẫn còn được sử dụng ở Mỹ thì đơn vị đo thứ
hai theo hệ mét ngày càng trở nên phổ biến. “Bar” đã thay thế bằng “pascal” và
“kilopascal” vì số này dùng thuận tiện hơn. Cũng tồn tại nhiều đơn vị đo khác,
nhưng nhìn chung chúng chỉ được sử dụng cho những ứng dụng đặc biệt.
Kết quả phép đo áp suất vi sai không chỉ rõ là áp suất tuyệt đối hay calip, bởi vì
cả hai bên của phép đo đều được so sánh một cách trực tiếp. Giá trị đọc chỉ là độ
chênh lệch áp suất chứ không cho biết độ lớn cụ thể của áp suất mỗi bên. Nếu áp
suất vi sai giữa hai bể chứa là 50 psi, thì các bể đó có thể là 10 psi và 60 psi,
hoặc 5000 psi và 5050 psi. Không có cách nào để xác định áp suất tương ứng
Page 8


với khí quyển mà không dùng đến một cảm biến khác. Áp suất vi sai thường
được sử dụng hậu tố “d” (dif-ferential pressure).
Thông thường, các áp kế cơ khí với ống Bourdon được uốn cong là thiết bị đo
tiêu chuẩn, và hiện nay các thiết bị này vẫn tồn tại với nhiều cấu hình. Tuy
nhiên, cũng như các dạng thiết bị đo khác, các cấu hình điện tử đã chiếm ưu thế.
Trong 3 phương pháp trên chúng em chọn phương pháp đo áp suất calip vì:
- Phương pháp này đo sự chênh lệch áp suất so với áp suất khí quyển nên dễ
dàng đặt điều kiện để tiến hành đo.
- Phương pháp đo này cũng được sử dụng phổ biến trong các quá trình,hệ

thống.
1.3 Khái quát chung về PLC
1.3.1 Khái quát về PLC

PLC là viết tắt của Programable Logic Controller, đây là thiết bị điều khiển
logic lập trình được, nó cho phép thực hiện linh hoạt thuật toán điều khiển
logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. S7-200 là thiết bị của hang Siemens,
cấu trúc theo kiểu mô-đun có các mô-đun mở rộng. Thành phần cơ bản của
PLC S7-200 là khối vi xử lý CPU 21x hoặc CPU 22x. Kết nối các hệ thống PLC
riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tang khả năng của từng hệ thống
riêng lẻ. Tốc đô của hệ thống được cải thiện, chu kì quét nhanh hơn. Bên
cạnh đó, PLC được chế tạo để có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi nhờ
vậy mà khả năng ứng dụng của PLC được mở rộng hơn.
•

Cấu trúc phần cứng của PLC S7-200:
Thông thường, để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó
phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, ra cũng như
chủng loại tín hiệu vào, ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được
thiết kế không bị cứng hóa về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành các
modul. Số các modul được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo yêu cầu công
nghệ, song tối thiểu bao giờ cũng phải có một modul chính là modul CPU.
Chúng được gọi chung là modul mở rộng. Tất cả các modul được gá trên

-

những thanh ray ( RACK).
Modul CPU
Là modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ
đếm, cổng truyền thông (chuẩn truyền RS 485) và còn có cổng vào, ra số

Page 9


(Digital). Cổng vào ra có trên modul CPU được gọi là cổng vào ra
ONBOART.0
Trong họ PLC S7-200 có nhiều loại module CPU khác nhau. Nói chung
chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như modle CPU212,
CPU224, CPU226...Trong phạm vi đề tài này ta chỉ đi nghiên cứu sâu về
CPU224.

Hình 1.3 : Cấu tạo CPU224.
Những module cùng sử dụng một loại bộ xử lí nhưng khác nhau về cổng
•

vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong
thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra.
Ngoài ra còn có module CPU với hai cổng truyền thông (CPU226), trong
đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối
mạng phân tán. Tất nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là
những phần mềm tiện dụng thích hợp cũng đã được cài sẵn trong hệ điều
hành.
Trên module CPU224 có 14 đầu vào và 10 đầu ra. Số module mở rộng tối
đa là 7 do đó tổng số đầu vào tối đa là 128 đầu vào/128 đầu ra. Số đầu
vào tương tự là 32 vào/32 ra.
• Cấu trúc vùng nhớ của PLC S7-200
 Được chia ra làm 3 vùng chính:
1.Vùng chứa chương trình ứng dụng: vùng nhớ chương trình được chia
làm 3 miền:
Main: phần chương trình chính của chương
trình bao gồm các lệnh để điều khiển các ứng

dụng. S7 – 200 thực hiện các lệnh này một
cách liên tục, cho một chu kỳ quét. Chương
trình chính thường được đặt tên là OB1.
Các thủ tục con: miền chứa chương trình
con được tổ chức thành hàm có các biến hình

Page 10


thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã
gọi nó.
Các thủ tục ngắt: các chế độ ngắt và xử lý
ngắt cho phép thực hiện các quá trình ngắt tốc
độ cao phản ứng kịp thời với các sự kiện bên
trong và bên ngoài. Về cơ bản nó cũng giống
như một thủ tục con.
2. Vùng chứa các tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng,
được chia thành 7 miền khác nhau, bao gồm:
- I ( Procees image input): Miền bộ đếm các dữ liệu cổng vào số. Trước khi
thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các đầu vào và
cất giữ chúng vào vùng nhớ I. Thông thường chương trình ứng dụng
không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào mà chỉ lấy dữ liệu của
cổng vào từ bộ đếm I.
- Q ( Procees image output): Miền bộ đếm các cổng ra số. Kết thúc giai
đoạn thực hiện chương trình sẽ chuyển giá trị của bộ đếm tới cổng ra
số.Thông thường không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra mà chỉ
chuyển chúng vào bộ nhớ Q.
- V (Variable memory area): sử dụng bộ nhớ V để cất kết quả trung gian
của quá trình sử lý để cho phép điều khiển logic trong chương trình. Sử
dụng bộ nhớ V để cất dữ liệu khác gắn liền với quá trình xử lý. Truy cập

bộ nhớ V theo các bit, byte, word, hay double word.
- M (Bit memory area): sử dụng vùng nhớ bit M như điều khiển các rơle,
cất các trạng thái trung gian của một quá trình hay điều khiển một thông
tin khác. Truy cập vùng nhớ này theo các bit, byte, word, double word.
- SM (Special Memory): các bit SM cung cấp một cách thức cho phép
thông tin giao tiếp giữa CPU và chương trình. Có thể sử dụng các bit này
để lựa chọn và điều khiển một số chức năng đặc biệt của CPU S7 – 200, ví
dụ như: bit được thiết lập bằng 1 trong vòng quét đầu tiên (SM0.1), bit
luôn bằng 1 trong mọi vòng quét (SM0.0), bít tạo xung (SM0.4 và SM0.5)
…
3. Vùng đối tượng
Vùng đối tượng được sử dụng để lưu giữ dữ liệu cho các đối tượng lập
trình như các giá trị tức thời, giá trị đặt trước của bộ đếm hay Timer. Dữ
liệu kiểu đối tượng bao gồm các thanh ghi của Timer, bộ đếm, các bộ đếm
tốc độ cao, bộ đệm vào/ ra tương tự và các thanh ghi tích luỹ (thanh AC).
Kiểu dữ liệu đối tượng bị hạn chế rất nhiều vì các dữ liệu kiểu đối tượng
chỉ được ghi theo mục đích cần sử dụng đối tượng đó.

Page 11


Vòng quét của PLC
PLC thực hiện các công việc (bao gồm cả chương trình điều khiển) theo
chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (scan). Mỗi vòng
quét đều bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ
đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng
quét, chương trình thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối
OB1. sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển nội dung
của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai
đoạn xử lý các yêu cầu truyền thông (nếu có) và kiểm tra trạng thái của

CPU. Mỗi vòng quét có thể được mô tả như sau:

Hình 1.4: Quá trình hoạt động của một vòng quét
Chú ý: Bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào ra tương tự nên
các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý
chứ không thông qua bộ đệm.
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện một vòng quét được gọi là thời gian
vòng quét (Scan time).Thời gian vòng quét không cố định, tức là không
phải vòng quét nào cũng thực hiện trong một khoảng thời gian như
nhau.Có vòng quét thực hiện lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tuỳ thuộc
vào số câu lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối dữ liệu
truyền thông trong vòng quét đó.
Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng cần xử lý, tính toán và việc
gửi thông tin điều khiển đến đối tượng có một khoảng thời gian bằng
thời gian một vòng quét.Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định
thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC. Thời gian vòng
quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao.
Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt (như truyền
thông giữa các thiết bị).Chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện
trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại.Các khối
Page 12


chương trình này có thể thực hiện tại mọi vòng quét chứ không bị gò ép
là phải ở trong giai đoạn chương trình. Chẳng hạn một tín hiệu báo ngắt
xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyền thông và kiển tra nội bộ, PLC
sẽ tạm dừng công việc truyền thông, kiểm tra, để thực hiện ngắt như vậy,
thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện
trong vòng quét. Do đó để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình
điều khiển, tuyệt đối không nên viết chương trình xử lý ngắt quá nhiều

hoặc sử dụng quá lạm dụng chế độ ngắt trong chương trình điều khiển.
Tại thời điểm thực hiện lệnh vào ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với
cổng ra vào mà chỉ thông qua bộ nhớ đệm của cổng trong vùng nhớ tham số. Việc
Đặc điểm
I/O trên CPU
Digital Analog

CPU 221

CPU 222

6DI/4DO

8DI/6DO

CPU 224

CPU
224XP

CPU 226

14DI/10D 14DI/10D 24DI/16DO
O
O
-

-

-

0

2

7

4KB

4KB

Bộ nhớ dữ liệu

2KB

Thời gian xử lý

0,37 µs

Số module mở
rộng

7

7

8KB

12KB

16KB

2KB

8KB

10KB

10KB

0,37 µs

0,37 µs

0,37 µs

0,37 µs

Bộ nhớ chương
trình

Memory
bits/counters/tim 256/256/25 256/256/25 256/256/2 256/256/2 256/256/25
ers
High-speed

6

counters

4 x 30 kHz

Real-time clock
Ngõ raxung

card
2 x 20 kHz

6

56

56
4 x 30 kHz

4 x 30 kHz 6 x 30 kHz 2x200kHz
card

Tích hợp

2 x 20 kHz 2 x 20 kHz

6
6 x 30 kHz

Tích hợp

Tích hợp

2 x 100

2 x 20 kHz

kHz
Cổng giao tiếp

1xRS-485

1xRS-485

2xRS-485

2xRS-485

Page 13

Biến trở analog
trên

1xRS-485

1

1

2

2

2

truyền thông giữa các bộ đệm ảo với ngoại vi trong giai đoạn 1 và 3 do hệ điều
hành CPU quản lý, ở một số modul CPU, khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức hệ thông
sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện với
cổng vào/ra.
Các thông số của PLC loại CPU 224:

Hình 1.1:PLC S7-200 CPU 224
PLC Siemens S7-200, CPU 224,14 vào,10 ra relay,220 VAC
PLC S7-200, CPU 224
Nguồn cung cấp: 220 VAC.
Ngõ vào: 14 DI DC.
Ngõ ra: 10 DO Relay.
Bộ nhớ chương trình: 12KB.
Bộ nhớ dữ liệu: 8KB.
Profibus DP extendable.
Điều khiển PID: Có.
Phần mềm: Step 7 Micro/WIN.
Thời gian xử lý 1024 lệnh nhị phân : 0.37ms.
Bit memory/Counter/Timer : 256/256/256.
Bộ đếm tốc độ cao: 6 x 60 Khz.
Bộ đếm lên/xuống: Có.
Page 14


Ngắt phần cứng: 4.
Số đầu vào/ra có sẵn: 14 DI / 10DO.
Số đầu vào / ra số cực đại ( nhờ lắp ghép thêm Modul số mở rộng:
DI/DO/MAX: 94 / 74 / 168

Số đầu vào / ra tương tự ( nhờ lắp ghép thêm Modul Analog mở rộng:
AI/AO/MAX: 28 / 7/ 35 hoặc 0 / 14 / 14.
IP 20
Kích thước: Rộng x Cao x Sâu : 120 x 80 x 62.
1.3.2 Tìm hiểu về mô-đun mở rộng

a./ Khái niệm
Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc xử
lý các tín hiệu số.
b./Analog input
Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D). Nó chuyển tín hiệu tương
tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra. Dùng để kết nối các thiết bị đo với bộ
điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ.
c./ Analog output
Analog output cũng là một phần của module analog. Thực chất nó là
một bộ biến đổi số - tương tự (D/A). Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào thành tín
hiệu tương tự ở đầu ra. Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đo tương tự.
Chẳng hạn như điều khiển Van mở với góc từ 0-100%, hay điều khiển tốc độ
biến tần 0-50Hz.
d./Nguyên lý hoạt động chung của các cảm biến và các tín hiệu đo chuẩn trong
công nghiệp.
Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc dòng
điện. Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín hiệu không
điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng . . . Vì vậy người ta cần phải
có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này về tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu
dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến.
Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input và tín hiệu
ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của công nghiệp.Có 2 loại
chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện.
-

Điện áp : 0 – 10V, 0-5V,

±

5V…

±

Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA, 10mA.
Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn . Vì
vậy người ta cần phải dùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng về chuẩn công
nghiệp.
-

Page 15


Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộ cảm
biến hoàn chỉnh , thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn là thiết đo và
chuyển đổi đo ( bộ transducer).

•

Mô-đun mở rộng EM235

EM 235 là một module tương tự gồm có 4AI và 1AO 12bit (có tích hợp
các bộ chuyển đổi A/D và D/A 12bit ở bên trong).

Page 16

•

Các thành phần của mô-đun analog EM 235:

Thành phần

Mô tả

4 đầu vào tương tự
A+ , A- , RA
được kí hiệu bởi các B+ , B- , RB
chữ cái A,B,C,D
C+ , C- , RC
D+ , D- , RD
1 đầu ra tương tự (MO,VO,IO)
Gain
Offset
Switch cấu hình

Các đầu nối của đầu vào A
Các đầu nối của đầu vào B
Các đầu nối của đầu vào C
Các đầu nối của đầu vào D
Các đầu nối của đầu ra
Chỉnh hệ số khuếch đại
Chỉnh trôi điểm không
Cho phép chọn dải đầu vào và độ phân
giải

Vậy mô- đun mở rộng EM 235 của hãng SIEMENS có các thông số sau:

Page 17


S7-200, Modul tương tự EM 235
6ES7235-0KD22-0XA0
Sử dụng cho S7-22x
Ngõ vào tương tự: 4 AI, DC +/- 10V
Ngõ ra tương tự: 1 AO, DC +/- 10V
12 bit converter
Dải đầu vào/trở kháng đầu vào:
0 đến 50 mV; 0 đến 100 mV; 0 đến 500 mV; 0 đến 1V
0 đến 5 V; 0 đến 10 V; 0 đến 20 mA; +/- 25 mV; +/- 50 mV;
+/- 100 mV; +/- 200 mV; +/- 500 mV; +/- 1 V; +/- 2.5 V; +/-5 V; +/- 10V
12 bit converter
Thời gian biến đổi tương tự sang số: <250us
Số đầu ra: 1
Dải đầu ra:
- Dòng: 0 đến 20 mA
- Áp : -10 đến +10 V
Độ phân giải:
- Đầu ra áp: 12 bit
- Đầu ra dòng: 11 bit
Dải giá trị biến đổi:
- Tín hiệu đơn cực: 0 đến 32 000
- Tín hiệu hai cực: - 32000 đến + 32000
Công suất: 2W

Page 18


Bảng 1.7: Sơ đồ chân đấu họ CPU
22x

1.4 Tìm hiểu về HDMI
WinCC (Window Control Center) là phần mềm tạo dựng hệ SCADA và
HMI rất mạnh của hãng SIEMENS hiện đang được dùng phổ biến trên thế
giới và Việt Nam. WinCC hiện có mặt trong rất nhiều lĩnh vực như sản xuất xi
măng, giấy, thép, dầu khí,…
WinCC là một hệ thống điều khiển trung lập có tính công nghiệp và có
tính kỹ thuật, hệ thống màn hình hiển thị đồ họa và điều khiển nhiệm vụ
trong sản xuất và tự động hóa quá trình. Hệ thống này đưa ra những module
chức năng tích hợp công nghiệp cho hiển thị đồ họa, những thông báo,
những lưu trữ và những báo cáo. Nó là một trình điều khiển mạnh, nhanh
chóng cập nhật các ảnh và những chức năng lưu trữ an toàn, bảo đảm một
tính lợi ích cao đem lại cho người vận hành một giao diện trực quan dễ sử
dụng, có khả năng giám sát và điều khiển quá trình công nghệ theo chế độ
thời gian thực.
Ngoài những chức năng hệ thống, WinCC đưa ra những giao diện mở
cho các giải pháp của người dùng. Những giao diện này làm cho nó có thể
tích hợp trong những giải pháp tự động hóa phức tạp, các giải pháp cho
công ty mở. Sự truy nhập tới cơ sở dữ liệu tích hợp bởi những giao diện
chuẩn ODBC và SQL, sự lồng ghép những đối tượng và những tài liệu được
tích hợp bởi OLE2.0 và OLE Custom Controls (OCX). Những cơ chế này làm
cho WinCC là một đối tác dễ hiểu, dễ truyền tải trong môi trường Windows
Page 19

Để xây dựng được giao diện HMI bằng phần mềm WinCC thì cấu hình
phần cứng phải bao gồm thiết bị PLC S7-xxx và cấu hình phần cứng tối thiểu
của máy tính cho việc sử dụng phần mềm WinCC và các thiết bị khác phục vụ
cho việc truyền thông.
WinCC hỗ trợ cho tất cả các máy tính – Những nền tảng PC thích hợp.
Mặc dù giá trị đưa ra cho cấu hình tối thiểu nhưng bạn phải đạt được cấu
hình khuyến cáo để đạt hiệu quả tối ưu. WinCC dựa trên hệ điều hành MS32
bit – Windows 95 hoặc NT, bảo đảm phản ứng nhanh để xử lý những sự kiện
và chống lại sự mất mát dữ liệu bên trong, tạo ra một sự an toàn cao một dự
án nhiều người dùng. Windows NT cũng đưa những hàm được tạo ra cho sự
an toàn và phục vụ như những thao tác cơ sở cho Server trong một dự án
WinCC nhiều người sử dụng. Phần mềm WinCC là một ứng dụng 32 bit phát
triển với công nghệ phần mềm hiện đại, hướng đối tượng nhất
1. Cấu trúc của WinCC

Control Center làm cho ta có thể định hướng xuyên qua những ứng dụng
WinCC và dữ liệu của nó với chỉ một ít thao tác. Control Center thao tác
tương tự giống như Explorer trong Windows. Trong WinCC bao gồm 2 cơ sở
dữ liệu: một dành cho việc định dạng hệ thống CS (Configuration System),
một dành cho việc chạy thời gian thực RT (Run time). Khi chạy WinCC, 2 cơ
sở dữ liệu này luôn được tải vào và chạy song song với nhau

Cấu trúc của WinCC

Page 20


a. Control Center
- WinCC Explorer trong Control Center: giao diện đồ họa cho cấu hình

dưới Windows 95 và NT
- Quản lý dữ liệu: cung cấp hình ảnh quá trình với những Tag giá trị
theo các loại sau
• Chu kỳ
• Chu kỳ với sự thay đổi
• Điều khiển sự kiện thời gian
- Truyền dữ liệu từ những hệ thống tự động hóa theo những cách sau
• Nhận
• Yêu cầu
b. Những module chức năng
- Hệ thống đồ họa (Graphic Designer): trình bày và nối quá trình bằng
đồ họa
- Soạn thảo hoạt động (Global Scrip): làm một dự án động cho những
yêu cầu đặc biệt
- Hệ thống thông báo (Alarm Logging): những thông báo đầu ra và báo
đã nhận được thông tin ở đầu ra
- Soạn thảo và lưu trữ những giá trị phép đo (TagLogging)
• Soạn thảo những giá trị phép đo và cất giữ chúng trong thời hạn
lâu dài
• Soạn thảo dữ liệu hướng người dfùng và cất giữ chúng lâu dài
- Hệ thống báo cáo (Report Designer): báo cáo những trạn thái của hệ
thống
c. Các khái niệm thường dùng trong WinCC
- WinCC Explorer
Nó được xuất hiện khi khởi động WinCC. Tất cả các phần của WinCC đều
được khởi động từ đây. Từ cửa sổ WinCC Explorer có thể xâm nhập vào
tất cả các thành phần mà một dự án giao diện người máy cần có cũng
như việc xây dựng cấu hình cho các phần riêng rẽ đó
Chức năng của WinCC Explorer
WinCC Explorer gồm tất cả các chức năng quản lý phục vụ việc vào hệ

thống của WinCC. Tại đây bạn có thể đặt cấu hình (Computer, Tag,…) và
khởi động mode Run-time
-

Nhiêm vụ của quản lý dữ liệu (Data Manager)
Đây là một phần của WinCC Explorer, nó cung câp các hình ảnh quá
trình, bộ đệm (Process Image) cho các tag
-

-

Nhiệm vụ của WinCC Explorer
• Tạo một dự án mới
• Đặt cấu hình trọn vẹn
Page 21


Gọi và lưu trữ dự án
Quản lí dự án: Mở, lưu, di chuyển và sao chép
Chức năng ấn bản mạng cho nhiều người sử dụng (Client-Server
Environment)
• Hiển thị cấu hình dữ liệu
• Điều khiển và đặt cấu hình của cấp bậc của các ảnh, cấu trúc hệ
thống, chẳng hạn như bằng cách thể hiện cây thư mục
• Cài đặt thông số tổng thể như ngôn ngữ, hệ thống đường dẫn
người dùng
• Đặt cấu hình cho vị trí các chức năng đặc biệt của người dùng
• Phản hồi tài liệu (feedback documentation)
• Lập báo cáo các trạng thái của hệ thống
• Chuyển đổi giữa đặt cấu hình và chạy thực (run time)

• Thử các mode như mô phỏng khi chạy (simulation), trợ giúp hoạt
động đặt cấu hình dữ liệu, chuyển đổi các picture, thể hiện trạng
thái và tạo thông báo
- Các loại Project
WinCC cung cấp nhiều loại dự án khác nhau tùy theo yêu cầu công viẹc
và quy mô của dự án
•
•
•

Dự án đơn (Single-User Project)
Một dự án đơn thực chất là một trạm vận hành đơn, việc tạo cấu hình,
chạy thời gian thực, cũng như kết nối với bus quá trình và lưu trữ dữ liệu
của dự án đều được thực hiên trên máy tính này.
•

Cấu trúc của dự án đơn
•

Dự án nhiều người dùng (Multi-User Project)
Page 22


Một dự án nhiều người dùng có đặc điểm cấu hình nhiều máy khách
(client) và một mày chủ (server), tất cả chúng làm việc trong cùng một
dự án. Tối đa 16 client được truy nhập vào một server.

Cấu trúc của dự án nhiều người dung
Dự án nhiều máy khách (Multi-Client Project)
Một server có thể được truy nhập tối đa 16 client. Một dự án multi-client

có thể truy nhập được tối đa 6 server. Có nghĩa là dữ liệu của 6 server có
thể được giám sát và điều khiển trên một màn hình của dự án multiclient
•

-

Cấu trúc dự án multi-client
Các thành phần cơ bản trong WinCC
• Computer: Quản lý tất cả các WorkStation và Server nằm trong
Project

Page 23


Tag Managerment: Là khu vực quản lý tất cả các kênh, các quan
hệ Logic, các Tag Process, Tag Internal và Tag Groups
• Data Type: Chứa các loại dữ liệu được gán cho các Tag và các
kênh khác
• Editor (Các trình soạn thảo): Các trình biên tập được liệt kê trong
vùng này dùng để soạn thảo và điều khiển một dự án hoàn chỉnh
bao gồm Graphics System (Graphics Designer) dùng để làm các
giao diện ảnh, Global Scrips dùng hiển thị động cho các yêu cầu
đặc biệt, các Message System như cảnh báo (Alarm Logging), thu
thập và lưu trữ các giá trị đo (Tag Logging), hệ thống báo cáo
(Report Designer), giấy phép sử dụng (User administration) và các
Text library. Tất cả các module này đều thuộc hệ thống WinCC
nhưng nếu không cần thiết thì không nhất thiết phải cài đặt hết
Trong phần mềm WinCC có một khái niệm đặc biệt quan trọng mà
chúng ta cần phải nắm vững khi xây dựng 1 hệ thống điều khiển giám
sát bằng WinCC đó là khái niệm về Tag và Tag Group. Tag là một

thành phần trung gian cho việc truy nhập các biến quá trình, Tag
Group dùng để tổ chức các Tag thành các cấu trúc, tất cả các Tag đều
có thể được tổ chức trong các nhóm Tag để tăng sự rõ ràng của dự
án. WinCC mô tả 1 dạng dữ liệu thành phần đó là loại duy nhất trong
1 dự án và những luật cho phép truy cập dữ liệu này. Dữ liệu quản lý
có sự khác nhau giữa 2 loại Tag:
• Internal Tag (Tag nội): là các khối nhớ trong WinCC được phân
chia theo chức năng như một PLC. Chúng có thể được tính toán
và chỉnh sửa trong WinCC và không có địa chỉ trên lớp PLC
• External Tag (Tag ngoại): gán các địa chỉ và kết nối trong các
lớp PLC
•

-

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Phân tích hoạt động của hệ thống.
Bài toán điều khiển hệ thống bơm nước với yêu cầu:
-

Khi ấn nút START hệ thống hoạt động
Page 24


-

Điều khiển ổn định áp suất trong đường ống bơm luôn ở 3,5 bar

-

Khi áp suất trong đườn ống vượt quá 4,5 bar đèn cảnh báo áp suất cao
HAP sáng

-

Khi mức nước trong bể dưới 1.0m thì đèn cảnh báo mức nước thấp LAL
sáng

-

Khi mức nước trong bể trên 4.0m thì đèn cảnh báo mức nước cao HAL
sáng

-

Khi ấn nút STOP thì dừng hệ thống

2.2 Lựa chọn cảm biến
2.2.1 Tính chọn cảm biến đo mức

Chọn cảm biến đo mức nước E4PA-LS600-M1-N của hãng OMRON

Hình 2.1 Cảm biến siêu âmE4PA-LS600-M1-N
Thông số kĩ thuật:

loại khoảng cách đo 400-6000mm
•

Cảm biến siêu âm hình trụ, với ngỏ ra analog 4-20mA, 0-10VDC.

•

Dùng để đo khoảng cách và độ dầy

•

Nguồn cấp 12-24VDC ±10%.

•

Không phụ thuộc hình dáng, tính chất, màu sắc của vật thể.

•

Tần số sóng siêu âm hoạt động 65-380Kz

Page 25