Nghiên cứu về dây chuyền công nghệ sản xuất nước dứa cô đặc

Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
1
Mở đầu
1. Đặt vấn đề.
Đất nớc ta đang vào thời kì công nghiệp hoá hiện đại, hoá đất nớc. Đảng và
nhà nớc đã chủ động khuyến khích các doanh nghiệp ứng dụng các thành tựu của
khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất nhằm đa đất nớc phát triển. Trong đó tự
động hoá đóng một vai trò quan trọng trong nhiệm vụ chung của đất nớc.
Trong nền kinh tế nớc ta sản xuất nông nghiệp chiếm một phần lớn trong
nền kinh tế đất nớc, mà sản phẩm sản xuất ra có sức cạnh tranh thấp. Để nâng cao
chất lợng sản phẩm, tăng sức cạnh tranh và giải quyết sản phẩm đầu ra cho nhân
dân là việc hết sức quan trọng. Với xuất phát điểm có trình độ khoa học kỹ thuật và
nền kinh tế lạc hậu nên việc sản xuất nông nghiệp của nớc ta chủ yếu là sản xuất
thủ công, năng suất không cao, chất lợng sản phẩm không đồng đều, không đáp
ứng đợc với yêu cầu của thực tiễn trong nền kinh tế hiện nay.
Từ những yêu cầu cấp thiết đó việc ứng dụng tự động hoá vào các dây chuyền
sản xuất là một điều tất yếu nhằm giải phóng sức lao động và tăng năng suất, hiệu
quả kinh tế. Tự động hoá sản xuất đã đợc ứng dụng trong rất nhiều ngành công
nghiệp và nông nghiệp. Trong ngành nông nghiệp nớc ta, tự động hoá quá trình
sản xuất đã đợc ứng dụng vào các quá trình sản xuất nh bia, rợu, chè, dứa, nớc
hoa quảđã thu đợc kết quả rất tốt nhằm thúc đẩy nền kinh tế nớc nhà. Đợc sự
quan tâm đầu t của Đảng và Nhà nớc Công ty thực phẩm xuất khẩu Đồng Giao
đã đa vào ứng dụng các dây chuyền sản xuất tự động , đặc biệt là dây chuyền sản
xuất nớc dứa cô đặc và thu đợc thành tích rất lớn.
Từ việc ứng dụng các dây chuyền sản xuất vào thực tế các công ty cần có
những kỹ s vận hành các dây chuyền sản xuất đó. Để có những con ngời có khả
năng vận hành và làm chủ các dây chuyền sản xuất. Chính vì vậy, việc nghiên cứu
và ứng dụng tự động hoá vào trong các dây chuyền sản xuất đồng thời tạo ra các
chuyên gia về lập trình cũng nh tự động hoá, sẽ góp phần tích cực vào công cuộc
xây dựng đất nớc.

Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
2
Nh vậy tự động hoá là sự lựa chọn của các ngành sản xuất nhằm tạo ra sản
phẩm có chất lợng, có khả năng cạnh tranh tốt. Đối với nớc ta nó là công cụ quan
trọng nhằm phục vụ sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nớc.

2. Mục đích nghiên cứu.
- Tìm hiểu về PLC.
- Nghiên cứu về phần mềm S7 200.
- Nghiên cứu về dây chuyền công nghệ sản xuất nớc dứa cô đặc.
- ứng dụng phần mềm SIMATIC S7 200 để thành lập chơng trình điều
khiển mô hình tự động điều khiển quá trình gia nghiệt tại khâu tiệt trùng của dây
chuyền sản xuất nớc dứa cô đặc.

3. Nội dung của đề tài.
Do hạn chế về thời gian và các điều kiện khách quan nên đề tài chỉ nghiên
cứu các nội dung chính sau.
- Tìm hiểu hoạt động sản xuất, kinh doanh của công ty thực phẩm suất khẩu
Đồng Giao.
- Tìm hiểu dây chuyền sản xuất nớc dứa cô đặc.
- Tìm hiểu về PLC.
- Tìm hiểu kỹ thuật lập trình PLC S7 200.
- Xây dựng sơ đồ thuật toán điều khiển tự động quá trình gia nhiệt của khâu
tiệt trùng trong dây chuyền sản xuất nớc dứa cô đặc.
- Lập trình điều khiển bằng PLC, S7 200.
- Thiết kế lắp giáp mô hình.
- Kết nối và chạy thử mô hình.
4. Phơng pháp nghiên cứu.
Với mục đích và nội dung của đề tài để tiến hành làm đề tài dựa trên phơng

pháp nghiên cứu sau:
- Kế thừa kết quả nghiên cứu đã có của các phần mềm để lập trình.
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
3
- Kế thừa mô hình dây chuyền sản xuất đã có sẵn trong thực tiễn cụ thể là
dây chuyền sản xuất nớc dứa cô đặc.
- Sử dụng các cách lập trình khác nhau để tìm ra phơng pháp đơn giản nhất,
hiệu quả nhất.
- Viết chơng trình điều khiển.
-Dụng cụ thiết bị làm đề tài gồm có:
+Máy tính cá nhân PC.
+ Bộ điều khiển S7 200 với khối xử lý CPU224.

Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
4
Chơng 1 . Tổng quan
1.1. Giới thiệu chung về PLC.
- Kỹ thuật điều khiển tự động đang phát triển mạnh và ngày càng chiếm vị trí
quan trọng trong các ngành kinh tế quốc dân. Tự động hoá ngày càng đóng vai trò
quan trọng trong sản xuất. Dựa trên sự phát triển của tin học, cụ thể là sự phát triển
của kỹ thuật máy tính mà kỹ thuật điều khiển đã phát triển đến trình độ cao, đem lại
hiệu quả kinh tế. Đã có rất nhiều kiểu điều khiển ra đời nh điều khiển bằng cơ cấu
cam, điều khiển bằng rơ le Nhng phát triển mạnh mẽ và có khả năng phục vụ
rộng rãi hơn cả là bộ điều khiển PLC.
- Bớc đầu phát triển PLC chỉ đơn thuần đợc thiết kế để thay thế cho các hệ
điều khiển dùng Rơ le, công tắc tơ đơn thuần. Tuy nhiên trong quá trình phát triển
PLC là thiết bị có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho các mạch logic cứng,
các PLC phát triển rất nhanh chóng cả phần cứng và phần mềm. Về phần cứng các
bộ xử lý nhanh và có dung lợng lớn đã thay thế cho các bộ vi xử lý tốc độ thấp và
dung lợng nhỏ. Các cổng vào ra đã đợc tăng lên cả số lẫn tơng tự. Với số lợng
lớn các đầu vào/ra(số, tơng tự) giúp cho PLC giờ đây không chỉ thích hợp cho điều
khiển logic mà có thể sử dụng hiệu quả trong quá trình điều khiển liên tục, đặc biệt
có thể thực hiện cả những chức năng điều khiển phức tạp nh luật điều khiển PI,
PIDVề mặt cấu trúc PLC ngày nay đợc chế tạo theo module để có thể mở rộng
theo yêu cầu. Về phần mềm, cú pháp lệnh của các PLC ngày nay phát triển phong
phú không đơn giản là các lệnh logic mà còn cả các lệnh toán học, truyền thông, bộ
đếm, bộ định thờiCác loại PLC nói chung thờng có nhiều loại ngôn ngữ lập
trình nhằm phục vụ các đối tợng sử dụng khác nhau. Nhng ngày nay thông dụng
nhất vẫn là ba cách lập trình là: STL ngôn ngữ liệt kê lệnh, LAD ngôn ngữ hình
thang, FBD ngôn ngữ hình khối.
Nh vậy, bộ PLC là thiết bị điều khiển sử dụng bộ nhớ để lập trình và lu giữ
cấu trúc lệnh thông qua các cổng vào ra để thực hiện các chức năng điều khiển.

1.1.1. Vai trò của bộ điều khiển PLC.
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
5
Trong một hệ thống điều khiển tự động,PLC có vai trò rất quan trọng là nơi
giữ các thuật toán điều khiển nơi thu nhận các tín hiệu từ các cảm biến và đa ra tín
hiệu điều khiển. Cũng nh rất nhiều thiết bị điều khiển khác nhau, nh các Rơ le
đơn giản đế các thiết bị điều khiển phúc tạp thì PLC đợc sử dụng rộng rãi và có vai
trò nh sau:
- PLC đợc xem nh trái tim trong một hệ thống điều khiển tự động đơn lẻ
với chơng trình điều khiển đợc chứa trong bộ nhớ của PLC, PLC sẽ xác định
trạng thái của hệ thống qua các tín hiệu hồi tiếp từ thiết bị nhập. Sau đó da trên
chơng trình logic để xác định tiến trình hoạt động, đồng thời đa ra những tín hiệu
điều khiển tơng ứng đế các thiết bị xuất.
- Trong hệ thống điều khiển tự động,bộ điều khiển PLC đợc coi nh bộ não
có khả năng điều hành toàn bộ hệ thống điều khiển với chơng trình nạp vào trong
PLC.
- PLC có thể đợc sử dụng cho những yêu cầu điều khiển đơn giản và đợc
lập đi lập lại theo chu kỳ, hoặc liên kết với máy tính chủ khác hoặc máy tính chủ
thông qua hệ thống mạng truyền thông, để thực hiện các quá trình xử lý phức tạp.
- Mức độ thông minh của một hệ thống điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào
khả năng của PLC để đọc đợc các dữ liệu khác nhau từ các cảm biến cũng nh các
thiết bị nhập bằng tay.
- Liên kết, ghép nối và đóng mở mạch phù hợp với chơng trình.
- Phân phát các lệnh điều khiển đó đến địa chỉ thích hợp.
- Một hệ thống điều khiển sẽ không có ý nghĩa thực tế nếu không giao tiếp
đợc với các thiết bị xuất, thiết bị chấp hành.
Nh vạy, PLC có vai trò quan trọng rất lớn trong ngành điều khiển tự động
ngày nay đợc ứng dụng rộng rãi và ngày càng phát triển hoàn thiện hơn.

Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
6
1.1.2.Ưu điểm của việc dùng PLC trong tự động hoá.
Trớc đây việc điều khiển thực hiện bằng các Rơle điện tử nối với nhau bằng
dây dẫn điện trong bảng điều khiển, trong nhiều trờng hợp số lợng dây rất lớn lên
rất bất tiện và thời gian làm việc của các Rơle có giới hạn. Sự ra đời của bộ PLC đã
làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng nh các quan niệm thiết kế về chúng, hệ
điều khiển dùng PLC có các u điểm nh sau:
- Chuẩn bị vào hoạt động nhanh. Thiết kế kiểu Môdule cho phép thích nghi
đơn giản với bất kỳ mọi chức năng điều khiển. Khi bộ điều khiển và các phụ kiện
đã đợc lắp ghép PLC vào t thế sẵn sàng làm việc ngay.
- Độ tin cậy cao và ngày càng tăng. Độ tin cậy của PLC ngày càng cao và
tuổi thọ ngày càng tăng. Việc bảo dỡng định kỳ không phải thực hiện đối với PLC.
- Dễ dàng thay đổi hoặc soạn thảo chơng trình. Việc lập trình đơn giản, chức
năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình mà không cần thay đổi
phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bị xuất nhập.
- Sự đánh giá các yêu cầu là đơn giản. nếu biết đợc số đầu vào và đầu ra cần
thiết, thì có thể đành giá kích cỡ yêu cầu của bộ nhớ là bao nhiêu. Từ đó có thể dễ
dàng và nhanh chóng lựa chọn loại PLC, phù hợp với yêu cầu.
- Xử lý t liệu tự động. Trong nhiều bộ PLC, việc xử lý t liệu đợc tiến hành
tự động làm cho việc thiết kế điện tử trỏ lên đơn giản.
- Tiết kiệm không gian. Hệ thống điều khiển xử dụng PLC đòi hỏi ít không
gian hơn so với hệ điều khiển Rơle tơng đơng, trong nhiều trờng hợp không
gian đợc thu hẹp lại.
- Khả năng tái tạo. Bộ PLC có thể sử dụng thuận lợi cho các máy đã làm việc

ổn định mà càn có thể đáp ứng nhu cầu của các thiết bị mẫu đầu tiên mà ngời ta
có thể thay đổi cải tiến trong quá trình vận hành.
- Sự cải biến thuận tiện. Những dây truyền điều khiển nếu chỉ muốn cải biến
một bộ phận nhỏ trong chức năng điều khiển, có thể đợc cải tạo một cách đơn giản
băng cách sao chép,cải biến hoặc thêm vào những phần mới so với kỹ thuật điều
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
7
khiển bằng Rơle ở dây có thể giảm thời gian lắp ráp, do có thể lập trình các chức
năng điều khiển trớc hoặc trong khi lắp ráp bảng điều khiển.
- Hệ thống điều khiển sử dụng PLC lắp đặt đơn giản hơn hệ dùng Rơle và
giảm:
+ 80% số lợng dây nối
+ Công suất tiêu thụ điện năng của PLC là rất thấp có chức năng chuẩn đoán
do đó giúp cho công tác sửa chữa đợc nhanh chóng và dễ dàng.
+ Số lợng Rơle và Timer ít hơn nhiều so với hệ điều khiển cổ điển, số lợng
tiếp điểm trong chơng trình sử dụng không hạn chế.
+ Thời gian hoàn thành một chơng trình điều khiển rất nhanh (vài ms) dẫn
đến nâng cao năng suất sản xuất.
+ Có thể làm việc trong nhiều môi trờng khác nhau.
+ Có thể tính toán giá trị kinh tế của hệ thống điều khiển tự động trớc khi
lắp đặt.
+ Đợc ứng đụng điều khiển trong phạm vi rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

1.1.3 Giá trị kinh tế của PLC.
Ngày nay trong thời đại kinh tế việc đầu t một dây truyền sản xuất ngoài
yếu tố kỹ thuật chúng ta cũng phải xét đến kinh tế ( chi phí đầu t ) của phơng án.
Sự ra đời của PLC có một giá trị kinh tế to lớn và đó là u điểm rõ rệt so với điều
khiển bằng Rơle, thực tế việc sử dụng hệ PLC thấp hơn nhiều so với hệ điều khiển
băng Rơle.

Mặt hạn chế của PLC đòi hỏi có một đội ngũ nhân viên, có một trình độ kỹ
thuật cao, có kinh nghiệm, hiểu biết về PLC để thiết kế lập trình và điều khiển. Tuy
nhiên với u điểm hơn hẳn so với hệ điều khiển bằng Rơle thì hệ điều khiển bằng
PLC đợc sử dụng rộng rãi và ngày càng phát triển. Dới đây là những u và khuyết
điểm của hệ điều khiển băng PLC và điều khiển bằng rơle cả về kinh tế lẫn kỹ
thuật:
Điều khiển bằng Rơle Điều khiển băng PLC
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
8
Ưu điểm:
- Lắm biết đợc và tin cậy
trong thời gian dài.
- Lắm biết đợc mức độ tin
cậy.
- Nhiều bộ phân đã tiêu
chuẩn hoá.
-Rất ít nhạy cảm với nhiễu.
- Kinh tế với hệ thống nhỏ.
Nhợc điểm:
- Thời gian lắp đặt lâu
- Thay đổi khó khăn.
- Khó theo dõi và kiểm tra
các hệ thống lớn, phức tạp.
- Có h hao trong sử dụng, do
đó cần bảo quản thờng xuyên.
- Kích thớc lớn. Tốn nhiều
dây dẫn.
- Công suất tiêu thụ lớn.
- Công nhân sửa chữa tay

nghề cao.
Ưu điểm:
- Độ tin cậy cao nhờ sử dụng
các phần tử tiếp xúc.
- Thay đổi dễ dàng qua công
nghệ phích cắm.
- Kích thớc nhỏ, lắp đặt đơn
giản.
- Thay đổi nhanh quy trình
điều khiển mà không cần thay đổi
phần cứng.
- Có thể nối mạng với máy tính
Nhợc điểm:
-Giá thành tạo dựng cao bộ
thiết bị lập trình thờng giá đắt




Những u điểm trên của bộ điều khiển bằng PLC giúp nó đứng vững và
ngày càng phát triển trong các ngành sản xuất. Đặc biệt nó đợc ứng dụng trong
nhiều ngành sản xuất và đã thay thế toàn bộ hệ điều khiển băng Rơle trong các đây
truyền sản xuất hiện đại.



Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
9
1.1.4 Cơ sở và khả năng phát triển của PLC

PLC phát triển trên cơ sở công nghệ máy tính và dựa trên sự kế thừa các hệ
điều khiển cổ điển bằng Rơle, trục cam
Sơ đồ thể hiện cơ sở phát triển của PLC.
Các phần tử đầu vào Bộ điều khiển Phần tử chấp hành

Từ sự khắc phục các nhợc điểm trớc của các hệ thống điều khiển trớc
cùng sự phát triển của khoa học công nghệ tích hợp PLC hiện nay có dung lợng rất
lớn và có tốc đọ xử lý nhanh. Làm cho PLC trơ thành phần tử tự động hoá thông
dụng đáp ứng tất cả các yêu cầu công nghệ. Sự phát triển của khoa học kỹ thuật và
sự cạnh tranh của các hãng sản xuất làm cho giá thành của PLC ngày càng hạ, làm
cho việc đầu t ban đầu đợc thấp, đem lại hiệu quả kinh tế. Do vậy PLC có khả
năng phát triển rộng rãi và ứng dụng trong nhiều ngành sản xuất công nghiệp cũng
nh nông nghiệp.

1.1.5 ứng dụng của hệ thống điều khiển PLC
Do PLC có rất nhiều u điểm, hiên nay PLC đợc ứng dụng trong rất nhiều
lĩnh vực khác nhau nh:
Rơle
Công tắc tơ
Rơle thời gian
Bộ đếm.
Động cơ, công tắc tơ
Van thuỷ lực, khí
nén bộ hiển thị
PLC

ộng cơ, công tắc
tơ
Van thuỷ lực, khí
nén bộ hiển thị

Nút ấn.
Công tắc
Công tắc hành
trình cảm biến
quang điện

Nút ấn.
Công tắc
Công tắc hành
trình cảm biến
quang điện
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
10
- Hệ thống vận chuyển.
- Dây truyền đóng gói.
- Điều khiển bơm.
- Công nghệ sản xuất giấy.
- Dây truyền sản xuất thuỷ tinh.
- Công nghệ chế biến thực phẩm.
- Các dây truyền lắp ráp.
- Kiểm tra quá trình sản xuất.
Ngoài những ứng dụng trên PLC còn dợc ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh
vực khác nhau, đặc biệt trong ngành nông nghiệp thì " Công ty thực phẩm xuất
khẩu Đồng Giao" Sử dụng PLC điều khiển các dây truyền sản xuất, điển hình là dây
truyền sản xuất nớc dứa cô đặc. Do điều kiện có hạn lên không thể nêu hết các ứng
dụng của PLC đợc và ngày nay nó đợc ứng dụng rất nhiều tạo điều kiện tăng
năng suất, giải phóng sức lao động cho công nhân và nâng cao chất lợng sản
phẩm.

1.2 Cơ sở kỹ thuật số
Khi lập trình cho PLC ngời lập trình có thể sử dụng nhiều phơng thức viết
chơng trình. Tuy nhiên PLC là phần tử điều khiển logic do đó ngời lập trình cần
hiểu các kiến thức cơ sở về kỹ thuật số.
1.2.1 Các hệ đếm
Chúng ta thờng sử dụng rất nhiều hệ đếm, thông thờng quen dùng nhất vấn
là hệ thập phân. Tuy nhiên trong lập trình PLC ngoài hệ thập phân còn có rất nhiều
các hệ đếm khác nh:
- Hệ nhị phân: Hệ đếm cơ số 2, sử dụng hai con số 0 và 1 để biểu diễn các giá
trị.
Ví dụ: số 9 biểu diễn là: 1001
- Hệ bát phân: Đây là hệ đếm cơ số 8, sử dụng tám con số 0,1,2,3,4,5,6,7 để
biểu diễn các giá trị.
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
11
- Hệ thập phân: Là hệ đếm cơ số 10 sử dụng 10 con số từ 0 đến 9 để biểu
diễn các giá trị.
- Hệ thập lục phân: Là hệ đếm cơ số 16 sử dụng 16 con số
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E.F để biểu diễn các giá trị.
1.2.2 Kiểu dữ liệu
Một chơng trình ứng dụng trong PLC có thể đợc sử dụng các kiểu dữ liệu
khác nhau. PLC lu giữ dữ liệu trong các bộ nhớ, các dữ liệu này có thể đợc lu
trữ ở nhiều dạng khác nhau. Do đó dới đây chỉ trình bày các kiểu dữ liệu thờng
đợc sử dụng.
Kiểu số tự nhiên
Kiểu số tự nhiên không dấu Kiểu số tự nhiên có dấu
Kích thớc
Thập thân Hexadexima Thập thân Hexadexima
Byte ( 8 bit) 0 ữ255 0 ữ FF -128 ữ127 80 ữ 7F

Word (16 bit) 0 ữ65535 0 ữ FFFF -32768
ữ32767
8000 ữ7FFF
Double word 0
ữ4294961295
0ữFFFFFFFF -2147483648
ữ2147483647
80000000
ữ7FFFFFFF

Kiểu số thực:
PLC sử dụng 32 bit để mã hoá các số thực, do đó ta có các giá trị:
+ 1175495E- 38 ữ + 3402823E + 38(Dơng)
- 1175495E- 38 ữ - 3402823E + 38(Âm)
1.2.3. Đại số Boole
1. Định nghĩa:
Ta biết biên Boole là loại hàm số mà miền giá trị của nó chỉ có 2 phần tử và
phần tử của chúng là 0 và 1.
Xét 1 tập hợp (B) với tất cả các biến Boole với 3 phép tính And(^), Or(
V
),
Not(
_
). Thì biến Boole trong tập hợp đó luôn có giá trị là 1 sẽ là phần tử đơn vị đối
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
12
với phép tính And, tơng ứng biến luôn có giá trị 0 là phần tử đơn vị của phép tính
Or. Nên ta có:
x^1 = 1^x = x. Với mọi x thuộc B.

x
V
0 = 0
V
x = x. Với mọi x thuộc B.
Định nghĩa: Không giới hạn quy định của bảng chân lý về các phép tính And,
Or, Not nếu trên (B) ta xác định đợc 3 phép tính And, Or, Not thoả mãn.
1) x
V
y = y
V
x.
2) x
V
(y^z) = (x
V
y)^z.
3) (x^y)
V
(x
V
y) = x.
Mọi x, y, z thuộc B thì tập B cùng 3 phép tính đó sẽ đợc gọi là đại số Boole.
2.Tính chất:
Một đại số Boole B với 3 phép tính And, Or, Not có các tính chất sau:
Tính chất 1:
X
= X.
BX
.

Tính chất 2: X = X.X = X^X.
BX
.
Tính chất 3:
X
.X = 0.
BX

.
Tính chất 4:1
V
X = 1.
BX

.
Tính chất 5: 0
V
X = X.
Tính chất 6:
X
V
X = 1.
Tính chất 7: X.Y =
yxx
+


1.2.4. Các phần tử lôgic cơ bản.
Trong kĩ thuật số cũng nh trong việc điều khiển bằng PLC thì ngời ta
thờng dùng các phép tính cơ bản là AND (

), OR (

), NOT , NAND, NOR. Ta
có các quan hệ lôgic là:
Phần tử AND.
Là phần tử có nhiều đầu vào và một đầu ra, đầu ra có giá trị lôgic bằng 1 khi
tất cả các đầu vào bằng 1.
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
13
Giả sử xét phần tử AND hai đầu vào.(Kí hiệu hai đầu vào là S
1
và S
2
, đầu ra là
H
1
)

24V
S2

S1

H1
0V
Bảng chân lý
Hình 1.1: Mạch điện lôgic and
Vậy Nếu cả hai khoá S

1
và S
2
đều đóng mạch thì đèn mới sáng. Vậy sơ đồ
điện trên thể hiện quan hệ lôgic AND.
H
1
= S
1

S
2

H
1
= S
1
.S
2
Phần tử OR: Là phần tử có nhiều đầu vào và một đầu ra. Có giá trị bằng 1 khi
ít nhất một trong các đầu vào bằng 1.
24V
S1 S2


H1
0V
Bảng chân lý.
Hình1.2: Mạch điện logic OR
Trong đó nếu S

1
hoặc S
2
, hoặc cả S
1
, S
2
đều đóng thì đều làm đèn H
1
sáng nh
nhau. Sự đóng mạch của công tắc S
1
, S
2
làm đèn sáng là quan hệ lôgíc OR.
H
1
= S
1
+ S
2

S
1
S
2
H
1

0 0 0

0 1 0
1 0 0
1 1 1
S
1
S
2
H1
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
14
H
1
=S
1
+ S
2

Phần tử NOT: Là phần tử có 1 đầu vào và một đầu ra, tín hiệu ra là phủ định
tín hiệu vào.

24V
S1 K1


K1 H1

0V
Bảng chân lý.
Hình1.3: Mạch điện logic NOT
Khoá S
1
mở mạch thì đèn sáng. Còn S
1
mở thì đèn sáng.
H
1
=
S
1

Phần tử NAND và phần tử NOR: Đây là hai phần tử AND phủ định( AND
Not) và OR phủ định(OR Not).

24V NAND
S1 K1
S2

K1 H1
0V
Hình 1.4: Mạch điện logic NAND
Ta có: H
1
=
21 SS
.
H

1
=
2.1 SS
.
NOR
24V
S1 S2 K1
S
1
H
1

0 1
0 1
1 0
1 0
S
1
S
2
H
1
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
15

K1 H1

0V
Bảng chân lý
Hình 1.5: Mạch điện logic NOR
Ta có: H
1
=
21 SS

.
H
1
=
21 SS +
.

1.3. Các bớc thiết kế hệ thống điều khiển lôgic.
Việc lập trình cho các hệ thống điều khiển bằng PLC ngày càng đợc sử
dụng rộng rãi. Có rất nhiều phơng án để thiết kế, nhng để thuận tiện cho học viên
thì ngời ta đã đa ra các bớc chung thiết kế hệ thống điều khiển lôgíc.
1.3.1. Xác định tín hiệu vào và ra.
Bớc thứ hai là phải xác định vị trí kết nối giữa các thiết bị vào ra với PLC.
Tín hiệu vào có thể là tiếp điểm, cảm biến thiết bị ra có thể là rơle điện từ, môtơ,
đèn báo. Mỗi vị trí kết nối đợc đánh số tơng tự ứng với PLC sử dụng các thiết bị
vào/ra có chức năng riêng biệt nhau ta cần lựa chọn sao cho các bộ cảm biến và các
bộ chấp hành có thể đợc nối trực tiếp với chúng mà không cần thêm các thiết bị
phụ trợ.
1.3.2.Viết phơng trình điều khiển.
Các PLC hiện có trên thị trờng hầu hết đang sử dụng 3 cách viết thông

thờng đó là LAD, STL và FBD. Tuỳ theo yêu cầu của công nghệ mà ta viết chơng
trình điều khiển cho phù hợp.
1.3.3.Nạp chơng trình vào bộ nhớ.
Cấp nguồn cho PLC, cài đặt cấu hình khối giao tiếp vào ra nếu cần. Sau đó
nạp chơng trình soạn thảo từ các thiết bị lập trình vào bộ nhớ của PLC. Sau khi
hoàn tất nên kiểm tra lỗi bằng chức năng tự chuẩn đoán và nếu có thể thì chạy
chơng trình mô phỏng hoạt động hệ thống.
S
1
S
2
H
1
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
16
1.3.4.Chạy chơng trình .
Trớc khi khởi động hệ thống cần phải chắc chắn dây nối từ PLC đến các
thiết bi ngoại vi là đúng, trong quá trình chạy kiểm tra có thể cần thiết phải thực
hiện các bớc tinh chỉnh hệ thống nhằm đảm bảo an toàn khi đa vào hoạt động
thực tế.
Từ các bớc thiết kế hệ thống trên để đơn giản và dễ hiểu, quy trình điều
khiển có thể mô tả theo lu đồ .
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
17

No




Yes

No Yes



Hình 1.6: Thiết kế mô hình điều khiển trên PLC


Chơng trình
đúng
Sửa chữa
chơng trình
Kết nối các thiết bị I/O
vào PLC
Kiểm tra tất cả
các dây nối
Chạy thử chơng trình
Kiểm tra
Nạp chơng trình
vào EPROM
Tạo tài liệu chơng
trình
Kết thúc
Xác định yêu cầu của hệ
thống.

Vẽ lu đồ điều khiển

Liên kết các đầu vào / ra
tơng ứng với các đầu
I/O của PLC
Soạn thảo chơng trình.

Nạp chơng trình vào
PLC
Chạy mô phỏng và tìm
lỗi
Chạy tốt
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
18
1.4. Những vấn đề chung về PLC.
1.4.1. PLC.
PLC ( Programable Logic Cotrol ) là mộ thiết bị điều khiển sử dụng một bộ nhớ có
thể lập trình, bộ nhớ này sẽ lu giữ các cấu trúc lệnh (Logic, thời gian, bộ đếm các hàm
toán học) để thực hiện chức năng điều khiển.
Chơng trình điều khiển


Tín hiệu vào Tín hiệu điều khiển

Tín hiệu đa vào PLC đợc lấy từ các thiết bị nh các cảm biến (Sensor),
công tắc Tín hiệu đầu ra PLC có thể đợc sử dụng để điều khiển một đối tợng
(động cơ, van) hoặc la cả một quá trình điều khiển.
Thời kỳ đầu PLC đợc thiết kế để thay thế cho các hệ điều khiển dùng Rơ le,
công tắc tơ đơn thuần tuy nhiên trong quá trình phát triển, với một u điểm lớn là
có thể chỉnh sửa lại chơng trình điều khiển tuỳ ý mà không mất nhiều công sức
cũng nh các chi phí, bởi vậy có thể đợc ứng dụng rất linh hoạt, PLC ngày nay đã

phát triển và có những khả năng để có thể điều khiển các hệ điều khiển phức tạp.
Đặc biệt PLC ngày nay các thiết bị và kỹ thuật PLC đã phát triển tới mức những
ngời sử dụng nó không cần giỏi những kiến thức điện tử mà chỉ cần lắm vững công
nghệ sản xuất để chọn thiết bị thích hợp là có thể lập trình đợc.
Nh vậy PLC có thể coi nh một máy tính và có đặc điểm nh sau:
- Đợc thiết ké với cấu trúc đơn giản, có thể làm việc trong môi trờng công
nghiệp, nông nghiệp ( Chịu đợc tiếng ồn, nhiệt độ, độ ẩm cao và độ dung động)
- Các tín hiệu vào ra đợc cách ly về điện với bộ điều khiển có sẵn giao diện
cho các thiết bị vào ra.
- Lập trình đơn giản, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, chỉ thuần tuý thực hiện chức
năng logic.
PLC
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
19
Ra đời năm 1968 với 20 đầu nhận tín hiệu vào ra số ngày nay PLC đã đợc chế tạo
theo module để có thể mở rộng theo yêu cầu và có thể làm việc với một số lợng
lớn các đầu vào và thực hiện đợc nhiều chức năng điều khiển.
1.4.2. Cấu trúc phần cứng PLC.
Vì cấu trúc của bộ điều khiển khả lập trình đợc dựa trên cùng một nguyên lý
với kiến trúc máy tính. Cho nên PLC có năm thành phàn cơ bản: Đơn vị xử lý trung
tâm, bộ nhớ, bộ nguồn nuôi, khối vào ra tín hiệu và thiết bị lập trình. Sơ đồ khối cơ
bản nh hình sau:

Hình1.7: Hệ thống PLC
- Bộ xử lý trung tâm bao gồm bộ vi xử lý,có nhiệm vụ phân tích các tín hiệu
vào và thực hiện công việc điều khiển, tuỳ theo chơng trình điều khiển lu trữ,
trong bộ nhớ có thể truyền thông cũng nh gửi tín hiệu đến đầu ra tơng ứng.
- Bộ nhớ là nơi lu trữ chơng trình điều khiển bằng các bộ phận lu giữ điện
tử nh RAM, ROM, EPROM. Đợc sử dụng cho các hoạt động điều khiển, dới sự
kiểm tra của bộ vi xử lý
- Bộ nguồn nuôi là đơn vị dùng để chuyển đổi nguồn xoay chiều (AC) thành
nguồn một chiều (DC) để cung cấp cho CPU và các khối vào ra .
Đầu vào
tín hiệu
Bộ nhớ
Thiết bị
lập trình
Bộ xử lý
Nguồn
cung cấp
Đầu ra tín
hiệu
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
20
- Thiết bị lập trình đợc dùng để viết chơng trình điều khiển và chuyển
xuống PLC.
- Khối vào/ra tín hiệu làm nhiệm vụ truyền nhận thông tin từ CPU với các
thiết bị bên ngoài. Các tín hiệu vào ra có thể là tín hiệu rời rạc, tín hiệu số, tín hiệu

alalog.
1.4.3.Cơ cấu chung của hệ thống PLC
Ngày nay sự phát triển của khoa học công nghệ các PLC đợc chế tạo sao
cho phù hợp với từng dây chuyền sản xuất. Các PLC hiện nay đợc chế tạo theo hai
cơ cấu thông dụng đó là kiểu hộp đơn và kiểu module nối ghép. Kiểu hộp đơn đợc
chế tạo để sử dụng cho các dây chuyền sản xuất không phức tạp và có đầy đủ các
bộ phận cơ bản của PLC là bộ nguồn, bộ xử lý, bộ nhớ. Các PLC này là các plc
Logo giá thành rẻ tạo thuận tiện cho việc điều khiển các dây chuyền ít phức tạp. Để
tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối tợng điều
khiển có số tín hiệu đầu vào/ra cũng nh chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà
các bộ điều khiển PLC đợc thiết kế không bị cứng hoá về cấu hình. Chúng thờng
chia nhỏ thành các module. Kiểu module này tối thiểu bao giờ cũng phải có các
module chính đó là module CPU các module còn lại là những module nhận truyền
tín hiệu với đối tợng điều khiển và các module chức năng chuyên dụng. Tất cả các
module đợc gá trên những thanh ray (Rack). Việc sử dụng các module tuỳ thuộc
vào từng bài toán kiểu module này rất linh hoạt không hạn chế về bộ nhớ và số
lợng đầu vào/ra. Với hai loại PLC là kiểu module và kiểu hộp đơn thì các chơng
trình ứng dụng trong sản xuất đợc nạp vào bộ nhớ của PLC nhờ các thiết bị lập
trình. Nh vậy việc sử dụng hai loại PLC trên đợc áp dụng vào các bài toán điều
khiển khác nhau nhng các chơng trình chỉ đợc nạp vào bộ nhớ của PLC khi đã
hoàn chỉnh trên thiết bị lập trình.
1.4.4. Cấu trúc bên trong của PLC.

Một PLC điển hình có cấu tạo nh hình vẽ:
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
21

Hình 1.8: Cấu trúc bên trong của PLC
Ta thấy cấu trúc cơ bản của một PLC bao gồm một bộ vi xử lý trung tâm

CPU(Central Processing Unit), bộ nhớ (RAM, ROM), khối vào ra, khối phát xung
nhịp (Clock), pin và các hệ thống Bus.
cpu thực hiện trao đổi, xử lý các tín hiệu vào ra, theo chơng trình đã đợc
soạn thảo để điều khiển dây chuyền sản xuất. Toàn bộ hoạt động của PLC đợc
điều khiển bởi CPU, nó đợc cung cấp bởi một khối xung nhịp, do đó tốc độ của
CPU sẽ phụ thuộc vào tốc độ của khối phát xung nhịp và thờng khối phát xung
nhịp có tần số vào khoảng từ 1 đến 8 mhz, xung nhịp này sẽ cung cấp cho tất cả
các khối trong PLC để đồng bộ hoá quá trình hoạt động của các khối này với CPU.
Các tín hiệu trong PLC đợc truyền thông qua các đờng dẫn các đờng dẫn này
đợc gọi là hệ thống Bus. Bus gồm có Bus địa chỉ, Bus điều khiển, Bus vào ra, Bus
dữ liệu để chuyển tải các thông tin điều khiển. Các Bus vào ra mang thông tin từ các
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
22
đầu vào ra. Các PLC có cấu tạo bên trong khá phức tạp do đó ta tìm hiểu cụ thể nh
sau:
1.CPU
Cấu hình của CPU tuỳ thuộc vào bộ vi xử lý, cơ bản CPU có:
- Bộ thuật toán và logic (ALU) làm nhiệm vụ 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 đợc xử dụng để lu
trữ thông tin liên quan đến việc viết chơng trình điều khiển.
- Bộ điều khiển đợc sử dụng để điều khiển chuẩn thời gian của các phép
toán.
2.BUS.
Là tất cả các thông tin hay sự trao đổi các dữ liệu trong PLC đều đợc thực
hiện qua hệ thống Bus, thông tin đợc truyền theo dạng nhị phân, nhóm bit.Hệ
thông Bus trong PLC có bốn loại.
- Bus dữ liệu tải dữ liệu đợc sử dụng trong quá trình xử lý của CPU dùng để
thu nhận thông tin từ các thiết bịn ngoại vi nh cảm biếntruyền tín hiệu tới các

thiết bị điều khiển. Bộ xử lý 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: Dùng để xác định địa chỉ dữ liệu trong bộ nhớ. Nh vậy mỗi dữ
liệu có thể đợc định vị trong bộ nhớ. Nh vậy, mỗi vị trí nhớ đợc gán một địa chỉ
duy nhất. Bus địa chỉ mang theo thông tin cho biết địa chỉ sẽ đợc truy cập.
- Bus điều khiển đợc CPU sử dụng để chuyển tải các thông tin điểu khiển
Ví dụ, CPU sử dụng để chuyển các tín hiệu điều khiển báo cho các thiết bị nhớ
nhận dữ liệu từ các thiết bị nhập hoặc điều khiển lấy các dữ liệu từ bộ nhớ, và tải
các xung nhịp để đồng bộ hoá quá trình hoạt động của các khối với CPU.
- Bus vào/ra đợc dùng để truyền thông giữa các cổng vào/ra và thiết bị vào/ra.
3. bộ nhớ
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
23
Còn gọi là các thanh nghi, bên trong bộ vi xử lý, đợc sử dụng để lu giữ thông
tin, lu giữ chơng trình cho các hoạt động điều khiển. Trong PLC có hai loại bộ
nhớ.
- Bộ nhớ ROM là vùng nhớ vĩnh cửu để chứa các thông tin hệ thống, bộ nhớ
ROM chỉ đọc, cung cấp dung lợng dữ liệu cho hệ điều hành và dữ liệu cố định
đợc CPU sử dụng.
- Bộ nhớ RAM để chứa chơng trình lập trình và là vùng nhớ đệm. Chứa các
thông tin từ các thiết bị vào ra của hệ thống. Chơng trình lập trình chứa trong
RAM có thể thay đổi đợc bởi ngời lập trình, tuy nhiên để ngăn chặn việc mất
thông tin khi mất điện nguồn, một pin đợc sử dụng làm nguồn nuôi cho vùng nhớ
này (thông thờng pin này sẽ duy trì đợc hoạt động của RAM khoảng từ 1 đến 2
năm khi mất điện nguồn chơng trình có thể lập trình bởi các thiết bị lập trình và từ
đó đợc nạp vào RAM khi PLC thực hiện chơng trình, CPU sẽ không lấy thông tin
vào ra trực tiếp từ các đầu vào/ra mà lấy từ vùng nhớ đệm, thông tin của các đầu
vào/ra trong vùng nhớ đệm sẽ đợc cập nhật sau mỗi chu trình quét nhờ khối vào/ra.

4. Thiết bị vào ra
Để bảo vệ PLC tất cả các đầu vào/ra trong PLC đều ghép cách ly, các đầu vào
thờng ghép cách ly bằng Octocoupler, tín hiệu vào có thể là 5V, 24V và do đó có
thể đa trực tiếp từ các phần tử đầu vào.
Đầu ra thờng sử dụng rơle có mức điện áp 24V hoặc 220V thông thờng các
rơle này chịu đợc dòng điện khoảng 2A do đó nếu dùng PLC để điều khiển những
thiết bị có dòng điện lớn hơn cần sử dụng các rơle trung gian hoặc côngtắctơ.
Thiết bị vào ra cung cấp giao diện giữa hệ thống và thế giới bên ngoài, cho phép
thực hiện kết nối thông qua các kênh vào/ra, thiết bị vào và thiết bị ra.
1.3.5. Ngôn ngữ lập trình trên PLC
Để biểu diễn chơng trình điều khiển trên PLC, có ba phơng pháp biểu
diễn là:
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
24
- Sơ đồ hình thang LAD ( Ladder Diagram): Phơng pháp này có cách biểu
diễn chơng trình tơng tự nh sơ đồ tiếp điểm dùng rơle trong sơ đồ điện công
nghiệp.
- Lu đồ hệ thống điều khiển FBD (Function Block Diagram): Phơng pháp
này có cách biểu diễn chơng trình nh sơ đồ không tiếp điểm dùng các cổng logic.
Theo phơng pháp này, các tiếp điểm ghép nối tiếp đợc thay thế bằng cổng
AND(&), các tiếp điểm ghép song song đợc thay thế bằng cổng OR(>=1), các tiếp
điểm thờng đóng thì có cổng NOT(-1). Phơng pháp này thích hợp cho đối tợng
sử dụng có kiến thức về điện tử - đặc biệt về mạch số.
-
Liệt kê danh sách lệnh STL (Statement List): Phơng pháp STL
dùng các từ viết tắt gợi nhớ để lập công thức cho việc điều khiể
n, tơng
tự với ngôn ngữ assembler
ở máy tính. Phơng pháp này thích hợp cho đối

tợng làm việc trong lĩnh vực tin học.

Ba phơng pháp biểu diễn chơng trình điều khiển trên PLC để dành cho
ngời sử dụng thuộc 3 lĩnh vực:
- Ngành Điện công nghiệp thờng dùng phơng pháp LAD
- Ngành Điện tử thờng dùng phơng pháp FBD
- Ngành Tin học thờng dùng phơng pháp STL
Có loại PLC có thể sử dụng cả ba phơng pháp biểu diễn trên( nh Simatic
S5), có loại chỉ sử dụng đợc hai phơng pháp biểu diễn (simatic S7), hay có loại
chỉ sử dụng đợc một phơng pháp biểu diễn ( nh Logo và Easy). Ngoài các loại
ngôn ngữ đã giới thiệu ở trên thì còn có các loại ngôn ngữ sau:
+ Ngôn ngữ lập trình SCL(Structured Control Language) kiểu viết chơng trình này
sử dụng ngôn ngữ Pascal rất phù hợp với những ngời đã viết các chơng trình bằng
ngôn ngữ máy tính.
+ Ngôn ngữ lập trình S7 - Graph.
Báo cáo tốt nghiệp Lê Mạnh Hùng
Lớp tự động hoá 46 Khoa cơ điện Trờng DHNNI - HN
25
+ Ngôn ngữ lập trình S7 - HiGraph. Đây là loại ngôn ngữ viết chơng trình rất phù
hợp cho các bài toán làm việc có tính tuần tự. Tại mỗi thời điểm chỉ có một bớc
đợc thực hiện với kiểu lập trình này ngời lập trình phải sử dụng phơng pháp lập
trình có cấu trúc.

Chơng 2: Nghiên cứu điều khiển và lập trình bằng PLC
S7 200
2.1. Khái niệm chung về Simatic S7 200
2.1.1. Giới thiệu chung.
PLC , viết tắt của Programmable Logic Control là thiết bị điều khiển logic
lập trình đợc, hay khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều
khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình.
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 đợc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Thành
phần cơ bản của S7 200 là khối xử lý trung tâm CPU. Cùng với sự phát triển của
khoa học kĩ thuật thì các PLC hiện nay đã có rất nhiều loại CPU khác nhau nh
CPU214, CPU 224.Để phân biệt các CPU này ngời ta dựa vào số lợng đầu
vào và đầu ra của các CPU và nguồn cung cấp.