Bài tập lớn: Xây dựng hệ (SCADA) giám sát, điều khiển ổn định nhiệt độ, cảnh báo nhiệt độ trong lò với dải đo: 0 ÷ 1200oC.

Đề bài 1: Xây dựng hệ (SCADA) giám sát, điều khiển ổn định nhiệt độ,
cảnh báo nhiệt độ trong lò với dải đo: [0 ÷ 1200]oC.

P
C

Control
STBoard ST
ART
OP

Bộ
ĐK
I/O

R
UN
T
LA

T
HA

Cảm
biến
Lò
Va
n%

Nhiên
liệu

Trong đó:
PC: Máy tính điều khiển và giám sát
1


Bộ ĐK: Trạm điều khiển (PLC, VXL…)
Bảng điều khiển tại chỗ.
• Các nút ấn START, STOP: để khởi động và dừng hệ thống,
• Đèn RUN; Báo hệ thống làm việc,
• Đèn TLA: cảnh báo mức thấp,
• Đèn THA: cảnh báo mức cao.

2


MỤC LỤC
MỤC LỤC.............................................................................................................3
LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................................5
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT......................................................................6
1.1.Mục đích..........................................................................................................6
1.2.Phương pháp đo...............................................................................................6
1.2.1.Đo nhiệt độ trực tiếp.....................................................................................6
1.2.2.Đo nhiệt độ gián tiếp....................................................................................7
1.3.Tìm hiểu chung về PLC...................................................................................8
1.3.1.Giới thiệu chung về PLC..............................................................................8
1.3.2.Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC.....................................................10
1.3.3.Các hoạt động bên trong PLC....................................................................16
1.3.4 Tìm hiểu sơ lược về PLC S7-300 của SIEMEN........................................19
1.3.5.GIỚI THIỆU VỀ MODULE ANALOG SM331.......................................27

1.4 Tìm hiểu HMI(WinCC, OPC).......................................................................30
1.4.1 Tìm hiểu WinCC........................................................................................30
1.4.2 Tìm hiểu OPC.............................................................................................31
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG...............................................................32
2.1.Lựa chọn thiết bị............................................................................................32
2.2.Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây.............................................................33
2.2.1.Xây dựng sơ đồ khối..................................................................................33
2.2.2.Sơ đồ đấu dây.............................................................................................35
2.3.Xây dựng thuật toán điều khiển....................................................................35
2.4.Chương trình điều khiển................................................................................36
2.5.Thiết kế giao diên HMI trên phần mềm WinCC V7.0.................................40
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ ĐỀ TÀI.....................................................................48
3.1. Kết quả nghiên cứu lí thuyết:.......................................................................48
3.2. Kết quả thực nghiệm....................................................................................49
PHỤ LỤC:...........................................................................................................50
3


4


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay sản phẩm công nghiệp đang đóng một vai trò quan trọng trong nền
kinh tế quốc dân.Đặc biệt là những thành tựu khoa học kỹ thuật lại đang phát
triển mạnh mẽ và được áp dụng phổ biến, rộng rãi vào lĩnh vực công
nghiệp.Nước ta đang trong thời kỳ quá độ lên chủ nghĩa xã hội vì vây việc áp
dụng những thành tựu khoa học của thế giới là mục tiêu công nhiệp hóa và hiện
đại hóa nước ta sớm đưa nước ta tiến lên chủ nghĩa xã hội.
Là sinh viên nghành cơ điện tử, sau những năm tháng học tập tại trường Đại
Học Công Nghiệp Hà Nội - Chúng em đã nhận thức được ngành cơ điện tử là rất

qua trọng và không thể thiếu cho bất kỳ môt lĩnh vực nào, quốc gia nào.
Khi đươc giao bài tập lớn, xác định đây là công việc quan trọng để nhằm đánh
giá toàn bộ kiến thức mà mình đã tiếp thu, với đề tài “Điều khiển và giám sát
nhiệt độ lò”.Đây là một đề tài khá phổ biến nhưng là một sản phẩm của nghành
điện.
Trong quá trình làm việc, với trình độ còn non trẻ về kiến thức và kinh
nghiệm thực tiễn nên chúng em không thể tránh được những sai sót. Do đó
chúng em rất mong muốn chỉ bảo thêm của các thầy và đóng góp của bạn bè để
chúng em hoàn thiện hơn.
Chúng em xin trân thành cảm ơn !

5


CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1.Mục đích

Trong khuôn khổ đề tài ứng dụng PLC để đo, điều khiển và cảnh báo nhiệt
độ chúng ta cần giải quyết được những vấn đề sau:
- Tìm hiểu chung về PLC và loại PLC được sử dụng
- Tìm hiểu về các module mở rộng cho PLC được sử dụng trong đề tài
- Tìm hiểu về các loại cảm biến Alalog dùng để đo nhiệt độ và loại được
sử dụng
- Xây dựng thuật toán điều khiển và chương trình điều khiển.
* Phương pháp nghiên cứu:
Do đặc thù của bài tập lớn nên việc hoàn thành sản phẩm và chạy thực tế sẽ
gặp nhiều khó khăn. Chúng em chọn phương án nghiên cứu dựa trên các tài liệu
và kiến thức trên mạng kết hợp với kiến thức học được của môn học để hoàn
thiện phần lý thuyết của bài tập lớn, kết hợp mô phỏng từng phần dựa trên phần
mềm mô phỏng trên máy tính.

1.2.Phương pháp đo.

Ngày nay trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ dựa trên nhiều
nguyên lý đo khác nhau; tìm được một loại cảm biến phù hợp với điều kiện và
yêu cầu là một điều không dễ dàng. Trong khuôn khổ đồ án chúng em sẽ giới
thiệu sơ lược về một số loại cảm biến đo nhiệt độ và loại cảm biến được chọn
trong đồ án.
1.2.1.Đo nhiệt độ trực tiếp.

a. Cặp nhiệt điện.
Cặp nhiệt điện được chế tạo dựa trên hiệu ứng nhiệt điện. Hiệu ứng nhiệt
điện, hay hiệu ứng Peltier-Seebeck, là sự chuyển nhiệt năng trực tiếp thành điện
năng và ngược lại, trên một số kết nối giữa hai vật dẫn điện khác nhau. Kết nối
này thường gọi là cặp nhiệt điện. Cụ thể, chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên kết

6


nối sinh ra một hiệu điện thế giữa hai bên kết nối và ngược lại. Bằng cách đo và
tính toán hiệu điện thế này người ta sẽ tính ra được nhiệt độ của vật cần đo.
b. Nhiệt điện trở kim loại
Điện trở vật dẫn thay đổi theo nhiệt độ:

Trong đó:
l : chiều dài dây dẫn [m]
A : tiết diện dây dẫn [m2]
Ρ : điện trở suất [Ωm]
Như vậy điện trở của một dây dẫn kim loại sẽ thay đổi khi nhiệt độ của nó
thay đổi, sự thay đổi này gần như là tuyến tính, người ta sẽ dung mạch điện để
đo được sự thay đổi về điện trở này, từ đó tính được sự thay đổi tương ứng về

nhiệt độ vật cần đo.
1.2.2.Đo nhiệt độ gián tiếp.

a. Nhiệt kế hồng ngoại.
Nhiệt kế hồng ngọai (IRT) cơ bản gồm có 4 thành phần:
- Ống dẫn sóng (waveguide) để thu gom năng lượng phát ra từ bia (target)
- Cảm biến có tác dụng chuyển đổi năng lượng sang tín hiệu điện
- Bộ điều chỉnh độ nhạy để phối hợp phép đo của thiết bị hồng ngọai với
chỉ số bức xạ của vật thể được đo.
- Một mạch cảm biến bù nhiệt để đảm bảo sự thay đổi nhiệt độ phía bên
trong thiết bị không bị truyền đến ngõ ra.
Bộ phận chính của nhiệt kế hồng ngoại là bộ cảm biến nhiệt điện. Với bộ
cảm biến này năng lượng của bức xạ hồng ngoại sẽ được hấp thụ và chuyển
thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện này sẽ hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng
theo một tỉ lệ đã được qui đổi hoặc được đổi ra tính hiệu Analog để truyền về
thiết bị điều khiển (PLC, vi điều khiển…)
Trong đề tài này chúng em chọn nghiên cứu cặp nhiệt điện để đo trực tiếp
nhiệt độ trong lò sấy.
7


1.3.Tìm hiểu chung về PLC
1.3.1.Giới thiệu chung về PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controlle, là thiết bị điều khiển lập
trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển
logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực
hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân
kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời
gian định thì hay các sự kiện được đếm. Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự,

nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một
bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng
lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập
trình.
Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều
khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu
sau :
- Lập trình dể dàng , ngôn ngữ lập trình dể học .
- Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản , sửa chữa.
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp
.
- Hoàn toàn tin cậy trog môi trường công nghiệp .
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như : máy tính, nối mạng,
các mô Modul mở rộng.
- Giá cả có thể cạnh tranh được.
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và
các Logic thời gian .Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung
lượng nhớ và tính dể dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá
cả … Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong
công nghiệp . Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các
8


lệnh đếm , định thời , thanh ghi dịch … sau đó là các chức năng làm toán trên
các máy lớn … Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng
lớn , số lượng I / O nhiều hơn.
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình
điều khiển hoặc xử lý hệ thống. Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ
được xác định bởi một chương trình . Chương trình này được nạp sẵn vào bộ
nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện viêc điều khiển dựa vào chương trình này. Như

vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ , ta chỉ
cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC . Việc thay đổi hay mở
rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dể dàng mà không cần một sự can
thiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay Relay .
Hiện nay với sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử đã cho phép chế
tạo các hệ vi xử lý liên tiếp, dựa trên cơ sở của bộ vi xử lý, các bộ điêu khiển
logic có khả nẳng lập trình được (PLC) đã ra đời, cho phép khắc phục được rất
nhiều nhược điểm của các hệ điều khiển liên kết cứng trước đây, việc dùng PLC
đã trở nên rất phổ biến trong công nghiệp tự động hoá. Có thể liệt kê các ưu
điểm chính của việc sử dụng PLC gồm:
- Giảm bớt việc đấu nối dây khi thiết kế hệ thống, giá trị logic của nhiệm
vụ điều khiển được thực hiện trong chương trình thay cho việc đấu nối
dây.
- Tính mềm dẻo cao trong hệ thống.
- Bộ nhớ: Cổng ngắt và đếm tốc độ cao khối vi xử lý trung tâm.
- Hệ điều hành Bộ đếm vào – ra Bộ định thời Bộ đếm Bit cơ Cổng vào ra
Onboard Quản lý ghép nối Bus của PLC - Bộ nhớ vào ra:

9


+ Khố i vi
xửlý
trung tâm
+ Hệ
điề u hành

Bộ đ ế m
vào-ra

Cổ ng
vào ra
Onboard

Bộ đ ị nh
thời
Bộ đế m
Bit cơ

Bus củ a PLC

Quả n lý ghép
nố i

Cổ ng
ngắ t và
đế m tố c
độ cao

Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ PLC

1.3.2.Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC

a. Cấu trúc.
Tất cả các PLC đều có thành phần chính là :Một bộ nhớ chương trình
RAM bên trong ( có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM )
Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC .
Các Modul vào /ra.

10

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

Sơ đồ cấu trúc phần cứng của bộ lập trình PLC
Dựa vào sơ đồ khối ta thấy PLC gồm có 4 khối chính đó là: Khối nguồn,
khối vi xử lý – bộ nhớ, khối đầu vào, khối đầu ra. Thông thường các tín hiệu
11


xuất nhập đầu ở dạng số (1- 0), còn nếu tín hiệu là dạng liên tục thì ta cần gắn
các khối xuất nhập ở dạng liên tục (Analog).
*Mô đun nguồn: (Moudule)
Là khối chức năng dùng để cung cấp nguồn và ổn định điện áp cho PLC
hoạt động. Trong công nghiệp người ta thường dùng điện áp24V một chiều. Tuy
nhiên cũng có bộ PLC sử dụng điện áp 220V xoay chiều.
*Mô đun CPU (Centrol rocessor Unit module):
Bao gồm bộ vi xử lý và bộ nhớ

*Mô đun nhập: (Input Module)
Tín hiệu vào: Các tín hiệu đầu vào nhận các thông tin điều khiển bên ngoài
dạng tín hiệu Logic hoặc tín hiệu tương tự. Các tín hiệu Lôgic có thể từ các nút
ấn điều khiển các công tắc hành trình, tín hiệu báo động, các tín hiệu của các
quy trình công nghệ,…Các tín hiệu tương tự đưa vào của PLC có thể là tín hiệu
điện áp từ các căn nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ cho một lò nào đó hoặc tín hiệu
từ máy phát tốc, cảm biến.
* Mô đun xuất (Output Module):
Trong PLC thì Module xuất cũng hết sức quan trọng không kém module
nhập. Nó có thể có 8 hoặc 16 ngõ ra mà trên một Module xuất, do vậy người sử
dụng có thể kết nối nhiều module lại với nhau để được số ngõ ra phù hợp. Đối
với những ứng dụng nhỏ thì cần 16 ngõ ra. Những ứng dụng lớn hơn có thể
dùng tới 26 hoặc 256 ngõ ra. Cũng giống như Module nhập thì các ngõ ra của
Module xuất là các tiếp điểm của rơle, khả năng chịu tải lớn 220V/1A. Nếu
muốn khống chế phụ tải công suất lớn thì thông qua các thiết bị trung gian như:
CTT. Aptomat. Triac…

12


b. Nguyên lý hoạt động của PLC

Chuyể n dữli ệ u từđ ầ u
cổ ng vào tới đầ u vào I

Chuyể n dữli ệ u từ
đầ u ra Q tớ i cổ ng ra

Thực hiệ n
chươ ng trình

Truyề n thông và
kiể m tra bộ nh ớ

Chu kỳ thực hiện vòng quét của CPU trong bộ PLC
Trong quá trình thực hiện chương trình CPU luôn làm việc với bảng ảnh ra.
Tiếp theo của việc quét chương trình là truyền thông nội bộ và tự kiểm tra lỗi.
Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại
vi. Những trường hợp cần thiết phải cập nhật module ra ngay trong quá trình
thực hiện chương trình. Các PLC hiện đại sẽ có sẵn các lệnh để thực hiện điều
này. Tập lệnh của PLC chứa các lệnh ra trực tiếp đặc biệt, lệnh này sẽ tạm thời
dừng hoạt động bình thường của chương trình để cập nhật module ra, sau đó sẽ
quay lại thực hiện chương trình. Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một
vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố
định, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng
thời gian như nhau. Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực
hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối
lượng dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó. Một vòng quét chiếm thời
gian quét ngắn thì chương trình điều khiển được thực hiện càng nhanh. Nguyên
lý hoạt động dựa trên các bộ phận sau :
-

Đơn vị xử lý trung tâm

13


CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra
chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong
chương trình , sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát

tới các thiết bị liên kết để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ
thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.
-

Hệ thống bus

Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường
tín hiệu song song :
Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau.
Data Bus

: Bus dùng để truyền dữ liệu.

Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu
khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC .
Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra
thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm
cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song.
Nếu môt modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus , nó sẽ
chuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của
8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ
liệu từ Data bus. Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu
trình hoạt động của PLC .
Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời
gian hạn chế.
Hê thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O .
Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 118 MHZ. Xung
này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời,
đồng hồ của hệ thống.
-

Bộ nhớ

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp :
Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O.
14


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

PG (Programer) có sẵn chổ ghi và xóa EPROM.
Môi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoạc đĩa mềm, được sử dụng trong
máy lập trình. Đĩa cứng hoăc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng
để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài .
-

Kích thước bộ nhớ :

Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 ÷1000 dòng lệnh tùy vào công nghệ
chế tạo .
15


Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K ÷ 16K, có khả năng chứa từ 2000
÷16000 dòng lệnh.
Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM.
-

Các ngỏ vào ra I / O

Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các modul (các đầu vào của
PLC), các cơ cấu chấp hành được nối với các modul ra (các đầu ra của PLC).
Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V , tín hiêu xử lý là
12/24VDC hoặc 100/240VAC.
Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh
I/O được cung cấp bỡi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra
hoạt động nhập xuất trở nên dể dàng và đơn giản.
Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON,OFF) để thực hiện việc
đóng hay ngắt mạch ở đầu ra.
1.3.3.Các hoạt động bên trong PLC

a. Xử lý chương trình

Khi một chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của PLC , các lệnh sẽ được
trong một vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ .
PLC có bộ đếm địa chỉ ở bên trong vi xử lý, vì vậy chương trình ở bên trong
bộ nhớ sẽ được bộ vi xử lý thực hiện một cách tuần tự từng lệnh một, từ đầu cho
đến cuối chương trình . Mỗi lần thực hiện chương trình từ đầu đến cuối được
gọi là một chu kỳ thực hiện. Thời gian thực hiện một chu kỳ tùy thuộc vào tốc
độ xử lý của PLC và độ lớn của chương trình. Một chu lỳ thực hiện bao gồm ba
giai đoạn nối tiếp nhau :
•

Đầu tiên, bộ xử lý đọc trạng thái của tất cả đầu vào. Phần chương trình

phục vụ công việc này có sẵn trong PLC và được gọi là hệ điều hành .
•

Tiếp theo, bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong chương trình.

Trong ghi đọc và xử lý các lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầu vào, thực
hiện các phép toán logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạng thái của các đầu ra.
16


•

Cuối cùng, bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các

modul đầu ra.

17


b. Xử lý xuất nhập

Gồm hai phương pháp khác nhau dùng cho việc xử lý I / O trong PLC :
*Cập nhật liên tục
Điều nay đòi hỏi CPU quét các lệnh ngỏ vào (mà chúng xuất hiện trong
chương trình ), khoảng thời gian Delay được xây dựng bên trong để chắc chắn
rằng chỉ có những tín hiệu hợp lý mới được đọc vào trong bộ nhớ vi xử lý. Các
lệnh ngỏ ra được lấy trực tiếp tới các thiết bị. Theo hoạt động logic của chương
trình , khi lệnh OUT được thực hiện thì các ngỏ ra cài lại vào đơn vị I / O, vì thế
nên chúng vẫn giữ được trạng thái cho tới khi lần cập nhật kế tiếp.
*Chụp ảnh quá trình xuất nhập
Hầu hết các PLC loại lơn có thể có vài trăm I / O, vì thế CPU chỉ có thể
xử lý một lệnh ở một thời điểm . Trong suốt quá trình thực thi, trạng thái mỗi
ngõ nhập phải được xét đến riêng lẻ nhằm dò tìm các tác động của nó trong
chương trình. Do chúng ta yêu cầu relay 3ms cho mỗi ngõ vào, nên tổng thời
gian cho hệ thống lấy mẫu liên tục trở nên rất dài và tăng theo số ngõ vào.
Để làm tăng tốc độ thực thi chương trình, các ngõ I / O được cập nhật tới
một vùng đặc biệt trong chương trình. Ở đây, vùng RAM đặc biệt này được
dùng như một bộ đệm lưu trạng thái các logic điều khiển và các đơn vị I / O.
Mỗi ngõ vào ra đều có một địa chỉ I / O RAM này. Suốt quá trình copy tất cả
các trạng thái vào trong I / O RAM. Quá trình này xảy ra ở một chu kỳ chương
trình (từ Start đến End ).
Thời gian cập nhật tất cả các ngõ vào ra phụ thuộc vào tổng số I/O được
copy tiêu biểu là vài ms. Thời gian thực thi chương trình phụ thuộc vào chiều
dài chương trình điều khiển tương ứng mỗi lệnh mất khoảng từ 1÷ 10 µs.

18

1.3.4 Tìm hiểu sơ lược về PLC S7-300 của SIEMEN

S7_300: Dòng sản phẩm cao cấp ,được dùng cho những ứng dụng lớn với
những yêu cầu I/O nhiều và thời gian đáp ứng nhanh,yêu cầu kết nối mạng,và có
khả năng mở rộng cho sau này. Ngôn ngữ lập trình đa dạng cho phép người sử
dụng có quyền chọn lựa.Đặc điểm nổi bật của S7_300 đó là ngôn ngữ lập trình
cung cấp những hàm toán đa dạng cho những yêu cầu chuyên biệt như : Hàm
SCALE….. Hoặc ta có thể sử dụng ngôn ngữ chuyên biệt để xây dựng hàm
riêng cho ứng dụng mà ta cần. Ngoài ra S7-300 còn xây dựng phần cứng theo
cấu trúc Modul,nghĩa là đối với S7-300 sẽ có những Modul tích hợp cho những
ứng dụng đặc biệt như Modul PID,Modul Đọc xung tốc độ cao….
* Thiết bị điều khiển Logic khả trình:
1/ PLC ( Progranable Logic Control) :
Thiết bị điều khiển Logic khả trình PLC Là loại thiết bị cho phép thực
hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua mộtngôn ngữ lập trình
,thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số .Như vậy với chương
trình điều khiển trong mình ,PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn ,dễ thay đổi
thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh ( với các
PLC khác hoặc với máy tính).Toàn bộ chương trình được lưu trong bộ nhớ.dưới
dạng các khối chương trình (OB,FC,FB..) và được thực hiện với chu kì quét.
Để có thể thực hiện một chương trình điều khiển.Tất nhiên PLC phải có
tính năng như một máy tính .Nghĩa là phải có một bộ vi xử lí trung tâm
( CPU),một hệ điều hành,một bộ nhớ chương trình để lưu chương trình cũng
như dữ liệu và tất nhiên phải có các cổng vào rađể giao tiếp với các thiết bị
bên ngoài..Bên cạnh đó ,nhằm phục vụ bài toán điều khiển số ,PLC phải có
các khối hàm chức năng như Timer,Counter,và các hàm chức năng đặc biệt
khác.

19


Bộ nhớ chương trình

Bit cờ
Bộ đệm vào ra

Khối vi xử kí trung tâm và
Hệ điều hành

Bộ đếm
Timer

Quản lý ghép nối

Cổng ngắt và đếm
tốc độ cao

Cổng ra vào

2/ Các Tín hiệu kết nối với PLC:
a/Tín hiệu số: Là các tín hiệu thuộc dạng hàm Boolean, dạng tín hiệu chỉ có
2 trị 0 hoặc1.
Đối với PLC Siemens :
Mức 0 : tương ứng với 0V hoặc hở mạch
Mức 1 : Tương ứng với 24V
Vd: Các tín hiệu từ nút nhấn ,từ các công tắc hành trình….. đều là
những tín hiệu số
b/ Tín hiệu tương tự : Là tín hiệu liên tục, từ 0-10V hay từ 4-20mA…. Vd:

Tín hiệu đọc từ Loadcell,từ cảm biến lưu lượng…
c/ Tín hiệu khác : Bao gồm các tín hiệu giao tiếp với máy tính ,với các thiết
bị ngoại

vi khác bằng các giao thức khác nhau như giao thức

RS232,RS485,Modbus….
20


3/ Các Modul của PLC S7_300:
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 đầu ra cũng như chủng loại
tín hiệu vào ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị
cứng hoá về cấu hình .Chúng được chia nhỏ thành các Modul.số các Modul
được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán ,song tối thiểu bao giờ cũng
có Modul chính là Modul CPU. Các Modul còn lại là những Modul nhận truyền
tín hiệu với đối tượng điều khiển ,các Modul chức năng chuyên dụng như
PID,điều khiển động cơ….. Chúng được gọi chung là Modul mở rộng.Tất cả
các Modul được gắn trên những thanh ray ( Rack).
a/ Modul CPU:
Modul CPU là loại Modul chứa vi xử lí,hệ điều hành ,bộ nhớ ,các bộ thời
gian,bộ đếm,cổng truyền thông (RS485)…. Và có thể còn có một vài cổng vào
ra số.Các cổng vào ra số trên CPU được gọi là cổng vào ra Onboard.
Trong họ PLC S7_300 có nhiều loại CPU khác nhau : CPU 312,CPU 314
,CPU 315….
Những Modul cùng sử dụng một loại bộ vi xử lí ,nhưng khác nhau về cổng
vào ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệttích hợp sẵn trong thư viện của
hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào ra onboard này sẽ được phân
biệt với nhau tong tên gọi bằng tên cụm chữ cái IFM( viết tắt của Intergrated

Function Module ).Ví dụ Module CPU 312IFM,Modul314 IFM….
Ngoìa ra còn có các loại module hai cổng truyền thông,trong đó cổng truyền
thông thứ 2 có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán .Các loại
module CPU được phân biệt với những loại CPU khác bằng thêm cụm từ DP
( Distrubited port)trong tên gọi. Ví dụ module CPU 315-DP
b/Các Modul mở rộng:
Các Modul mở rộng được chia thành 5 loại chính:
-

PS(Power Supply): Modul nguồn nuôi
SM (Signal Module): Modul tín hiệu vào ra bao gồm:
21


DI (Digital Input) DO (Digital Output) DI/DO ( Digital In/Output) AI
-

(Analog Input)AO ( Analog Output)AI/AO ( Analog In/Output)
IM ( Interface Module) : Modul ghép nối. Đây là loại Modul
chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các Modul mở rộng lại với
nhau thành từng một khối và được quản lí chung bởi một module
CPU. Thông thường các Modul mở rộng được gá liền với nhau trên
một thanh đỡ gọi là Rack.
Trên mỗi một Rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 module mở rộng
( không kể module CPU,module nguồn nuôi). Một module CPU có
thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 Rack,và các Rack này phải
được nối với nhau bằng Module IMIM360 :truyền

-

IM361:nhận.

FM ( Function Module): Các Modul điều khiển riêng,như điều khiển
Servo,điều khiển PID……

-

CP( Communication Module):Module truyền thông

4/ Tín Hiệu: Thông thường có 2 tín hiệu
Tín hiệu số: Tín hiệu mức 1 hoặc mức 0 ( true hoặc False), Vd:
I0.0,Q0.0….
Tín hiệu tương tự : Là tín hiệu analog được đọc từ các Modul analog
Vd : PIW256….
5/Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ:
a/Kiểu Bool: True hoặc False ( 0 hoặc 1) VD: M0.0
b/Kiểu Byte : gồm 8 Bit
c/Kiểu Word
d/Kiểu Int
e/Kiểu Dint
f/ Kiểu Real
h/Kiểu S5T:
k/ Kiểu Char
i/Kiểu Date
j/Kiểu Tod:

22


6/ Bộ nhớ PLC: gồm 3 vùng chính.

a/Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình được chia
thành 3 miền
- OB ( Organisation block) : miền chứa chương trình tổ chức.
- FC ( Function) : Miền chứa chương trình con ,được tổ chức thành hàm và
có biến hình thức để trao đổi dữ liệu
- FB ( Function block) : Miền chứa chương trình con ,được tổ chức thành
hàmvà có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ 1 khối chương trình nào khác
.Các dữ liệu này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng ( Data
Block khối DB)
b/ Vùng chứa tham số của hệ điều hành: Chia thành 7 miền khác nhau
I ( Process image input ) : Miền dữ liệu các cổng vào số,trước khi bắt
đầu thực hiện chương trình ,PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu
vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I.Thông thường chương trình ứng dụng
không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của
cổng vào từ bộ đệm I.
Q ( Process Image Output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số .Kết
thúc giai đoạn thực hiện chương trình,PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q
tới các cổng ra số.Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận
cổng ra mà chỉ chuyển chúng tới bộ đệm Q.
M ( Miền các biến cờ): CHương trình ứng dụng sử dụng những biến này
để lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo Bit (M) ,byte
(MB),từ (MW) hay từ kép (MD).
T ( Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian ( Timer) bao gồm việc lưu
trữ giá trị thời gian đặt trước ( PV-Preset Value ),giá trị đếm thời gian tức thời
( CV –Current Value) cũng như giá trị Logic đầu ra của bộ thời gian.
C ( Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt
trước ( PV- PresetValue),giá trị đếm tức thời ( CV _ Current Value)và giá trị
logic đầu ra của bộ đệm.

23

PI : Miền địa chỉ cổng vào của các Modul tương tự ( I/O External input).
Các giá trị tương tự tại cổng vào của modul tương tự sẽ được module đọc và
chuyển tự động theo những địa chỉ.Chương trình ứng dụng có thể truy cập
miền nhớ PI theo từng Byte ( PIB),từng từ
PIW hoặc từng từ kép PID .
PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự ( I/O External
Output).Các giá trị theo những địa chỉ này sẽ được module tương tự chuyển
tới các cổng ra tượng tự .Chương trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ PQ
theo từng Byte (PQB),từng từ (PQW) hoặc theo từng từ kép (PQD).
c/ Vùng chứa các khối dữ liệu: được chia làm 2 loại:
DB(Data Block):Miền chứa dữ liệu được tổ chức thành khối .Kích
thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định ,phù hợp với từng
bài toán điều khiển.Chương trình có thể truy nhập miền này theo từng bit
(DBX),byte (DBB),từ (DBW) hoặc từ kép (DBD).
L (Local data block) : Miền dữ liệu địa phương ,được các khối chương
trình OB,FC,FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ
liệu của biến hình thức với những khối chương trình gọi nó .Nội dung của
một khối dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương
ứng trong OB ,FC,FB.Miền này có thể được truy nhập từ chương trình theo bit
(L),byte(LB) từ (LW) hoặc từ kép (LD).
7/Các Loại CPU:
CPU 312: Bộ nhớ làm việc 16KB ,chu kì lệnh 0.1us
CPU 312C : Bộ nhớ làm việc 16KB,chu kì lệnh 0.1us,tích hợp sẵn
10DI/6DO,2 Xung tốc độ cao 2.5KHz,2 kênh đọc xung tốc độ cao
10Khz.
CPU 312IFM : Bộ nhớ làm việc 6KB,chu kì lệnh 0.6us,tích hợp sẵn
10DI/6DO
CPU 313 : Bộ nhớ làm việc 12KB,chu kì lệnh 0,6us

24


CPU 313C : Bộ nhớ làm việc 32KB,chu kì lệnh 0,1us, tích hợp sẵn
24DI,16DO,5AI, 2AO,3 Kênh xuất xung tốc độ cao (2.5Khz),3 kênh
đọc xung tốc độ cao (30Khz)
CPU 313C-2DP: Bộ nhớ làm việc 32KB,chu kì lệnh 0.1us,tích hợp
sẵn
24DI,16DO, 5AI,2AO,3 Kênh xuất xung tốc độ cao (2.5Khz),3 kênh
đọc xung tốc độ cao (30Khz),có 2 cổng giao tiếp.
CPU 313C-2PtP : Bộ nhớ làm việc 32KB,chu kì lệnh 0.1us,tích hợp
sẵn
24DI,16DO, 5AI,2AO,3 Kênh xuất xung tốc độ cao (2.5Khz),3 kênh
đọc xung tốc độ cao (30Khz),có 2 cổng giao tiếp.
MPI+ PtP connector (RS-422/485 (ASCII, ..)
CPU 314: Bộ nhớ làm việc 24KB ,chu kì lệnh 0.3us
CPU 314IFM : Bộ nhớ làm việc 24KB,chu kì lệnh 0.3us, tích hợp
sẵn 20DI/16DO ,4AI
/ 1AO
CPU 314C-2DP:Bộ nhớ làm việc 48KB,chu kì lệnh 0.1us,tích hợp
sẵn 24DI / 16DO,5AI / 2AO , 4 kênh xuất xung tốc độ cao,4 kênh
đọc xung tốc độ cao.2 cổng giao tiếp.
CPU 314C-2PtP:Bộ nhớ làm việc 48KB,chu kì lệnh 0.1us,tích hợp
sẵn 24DI / 16DO,5AI / 2AO , 4 kênh xuất xung tốc độ cao,4 kênh
đọc xung tốc độ cao.2 cổng giao tiếp
CPU 315 : Bộ nhớ làm việc 48KB ,chu kì lệnh 0.3us
CPU 315-2DP: Bộ nhớ làm việc 48KB ,chu kì lệnh 0.3us , MPI + DP
CPU 315F-2DP : Bộ nhớ làm việc 128KB,chu kì lệnh 0.3us , 2 cổng
giao tiếp.

CPU 316 : Bộ nhớ làm việc 128KB ,chu kì lệnh 0.3us
CPU 316-2DP: Bộ nhớ làm việc 128KB,chu kì lệnh 0.3us , 2 cổng
MPI + DP
CPU 317-2: Bộ nhớ làm việc 512KB ,chu kì lệnh 0.3us,2 cổng giao
tiếp MPI + DP
CPU 317F-2: Bộ nhớ làm việc 512KB,chu kì lệnh 0.3us ,2 cổng giao
tiếp MPI + DP ( DP master hoặc Slave)
CPU 318-2: Bộ nhớ làm việc 256KB ,chu kì lệnh 0.3us ,2 cổng giao
tiếp MPI + DP ( DP Master hoặc Slave).

25