XÂY DỰNG HỆ (SCADA) GIÁM SÁT,ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH VÀ CẢNH BẢO MỨC TRONG BỂ VỚI DẢI ĐO:[0 ÷ 5]M

ĐỒ ÁN
HỌC PHẦN 3,4 (VXL, VKĐ, SCADA)
ĐỀ TÀI SỐ 2 :XÂY DỰNG HỆ (SCADA) GIÁM SÁT,ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH VÀ
CẢNH BẢO MỨC TRONG BỂ VỚI DẢI ĐO:[0 ÷ 5]M

NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN :

NHÓM 6

DƯƠNG VĂN HÙNG
PHÙNG ĐẮC MINH
LÊ VĂN QUỐC
NGUYỄN TIẾN TUẤN
TRẦN VĂN VŨ

NHÓM 6

Page 1


Đề bài 2: Xây dựng hệ (SCADA) giám sát, điều khiển ổn định mức và cảnh
báo mức trong bể với dải đo: [0 ÷ 5]m.

NHÓM 6

Page 2


•
•
•

•

Trong đó:
PC: Máy tính điều khiển và giám sát
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.
Phần báo cáo:
Chương 1: Cơ sở lý thuyết
1.1 Mục đích
1.2 Phương pháp đo (Tùy theo đề tài là đo đại lượng gì ?)
1.3 Tìm hiểu về bộ điều khiển (Loại PLC, VĐK… mà mình lựa chọn)
1.4 Tìm hiểu về HMI (WinCC, OPC, Visual Basic, C++…)
Chương 2: Thiết kế thệ 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 dụng 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 thực nghiệm (Chạy mô hình thực nếu có)
Kết luận
Phụ lục

Muc lục
Lời nói đầu .................................................................................................5
NHÓM 6

Page 3


Chương 1 ....................................................................................................6
1.1 Mục đích .................................................................................................6
1.2 Phương pháp đo.......................................................................................6
1.3 Tìm hiểu về bộ điều khiển.......................................................................10
1.3.1 Tìm hiệu về PLC.......................................................................10
1.3.2 Tìm hiểu sơ lược về PLC S7200 của SIEMEN..........................19
1.3.3 Module mở rộng..........................................................................36
1.4 Tìm hiểu về HMI và WINCC .................................................................47
1.4.1 Tìm hiểu HMI.............................................................................47
1.4.2 Tìm hiểu WINCC .......................................................................49
Chương 2 Thiết kế hệ thống ......................................................................52
2.1 lựa chọn thiết bị.....................................................................................52
2.2 Xây dụng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây.....................................................53
2.3 Xây dựng thuật toán..............................................................................54
2.4 Xây dựng phần mềm.............................................................................54
2.5 Thiết kế giao diện HMI.........................................................................58
Chương 3 kết quả đề tài ............................................................................61
3.1 kết quả nghiên cứu lí thuyết..................................................................61
3.2 Kết quả thực nghiệm.............................................................................61
3.3 Kết luận.................................................................................................
3.4 Phụ lục...................................................................................................

Lời nói đầu:

NHÓM 6

Page 4


Trong thực tế yêu cầu về đo mức chất lỏng xuất hiện trong nhiều lĩnh vực:
- Sản xuất nông nghiệp: đảm bảo lượng nước tưới tiêu cho cây trồng, đảm
bảo lượng nước trong các bể, hồ nuôi thủy hải sản
- Công nghiệp sản xuất rượu, bia
- Đo mức xăng, dầu trong khai thác dầu khí
- Khống chế mức nước trong thủy điện, nhiệt điện
- Đo mức chất lỏng trong các phòng thí nghiệm, xét nghiệm.
- Xử lý nước thải trong các nhà máy, thành phố
Tùy theo yêu cầu độ chính xác về mức chất lỏng trong từng ứng dụng mà lựa
chọn các loại cảm biến khác nhau. Có nhiều phương pháp đo mức : thổi bọt khí,
chênh áp, đo lực căng, phao nổi, công tắc khoảng hở, loadcell, độ dẫn điện, hạt
nhân, radar, RF Admittance, siêu âm, sóng viba, ….Phổ biến là hai loại cảm biến
siêu âm, cảm biến áp suất:
Các cảm biến này biến các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện analog, tín
hiệu điện được đưa về các bộ điều khiển, các bộ điều khiển này tính toán và đưa
ra được chiều cao mức nước trong thực tế.
Để đọc được tín hiệu Analog do cảm biến trả về ta có hai phương pháp khác
nhau đó là dùng vi điều khiển và dùng PLC. Bản chất của vi điều khiển và PLC
là như nhau vì nó cùng là bộ xử lí trung tâm làm nhiệm vụ phân tích và sử lí dữ
liệu thu được. Trong điều kiện công nghiệp thì PLC tỏ ra có ưu thế hơn nhờ vào
độ bề cao, chịu được điều kiện khắc nhiệt, độ ổn định cao và dễ lập trình điều
khiển.
Vì vậy trong đồ án môn học này chúng em sẽ nghiên cứu ứng dụng PLC để
đo, điều khiển và cảnh báo mức nước trong bể sử dụng cảm biến alalog là

module mở rộng ADC của PLC.
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
NHÓM 6

Page 5


1.1.

Mục đích

Trong khuôn khổ đề tài ứng dụng PLC để đo, điều khiển và cảnh báo mức nước
trong bể 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 mức nước và loại được sử dụng
Xây dựng thuật toán điều khiển và chương trình điều khiển.
*) Phương pháp nghiên cứu:
Do đặc thù của đồ án 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 đồ án, 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 tới trên 20 loại cảm biến đo mức 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 mức nước và loại cảm biến được chọn trong đồ án.
1.2.1. Cảm biến siêu âm

NHÓM 6

Page 6


Bộ truyền siêu âm hoạt động dựa trên việc gửi một sóng âm, được phát ra từ
bộ biến năng áp điện, đến bề mặt của một vật liệu cần đo. Bộ truyền âm đo thời
gian từ lúc gửi tín hiệu cho tới khi nhận được tín hiệu phản hồi. Thành công của
phép đo phụ thuộc vào sóng, độ phản xạ từ vật cần đo. Những yếu tố như bụi,
hơi nước (chất lỏng) dày đặc; độ cản trở bình chứa, nhiễu loạn gây bởi bề mặt;
những chất tạo bọt và thậm chí là độ gồ ghề hoặc góc tạo bởi chùm sóng với bề
mặt cần đo đều góp phần tạo những thông tin không mong muốn ở tín hiệu phản
hồi.
Lợi ích lớn nhất của công nghệ đo mức thông qua môi trường khí như siêu
âm, rada và laze là những thiết bị đo không tiếp xúc với vật cần đo (hình 3). Chỉ
có một vài điểm tín hiệu cần tiếp xúc với bề mặt chất cần đo nhằm tạo ra những
tín hiệu phản hồi về cảm biến. Điều này giải thích tại sao chất lượng không khí
giữa bề mặt chất lỏng với cảm biến luôn là vấn đề và tại sao chất lượng của bề
mặt chất lỏng (hoặc bình chứa) cần luôn được tính đến khi sản xuất và lắp đặt
cảm biến vì mọi nhiễu loạn về tín hiệu sẽ góp phần vào sai số của phép đo.
Như vậy, cảm biến đo mức dùng siêu âm là một giải pháp phù hợp cho
những đối tượng với những yêu cầu về hình dạng, môi trường ổn định và có thể
NHÓM 6

Page 7

biết trước. Khi lắp đặt chúng ta không được quên rằng bộ phát siêu âm chỉ có
hiệu quả khi cảm biến đón nhận được tín hiệu phản hồi.
1.2.2. Rada dẫn sóng (GWR)

Rada dẫn sóng là phép đo tiếp xúc sử dụng đầu dò để dẫn sóng điện từ cao
tần từ bộ biến âm đến vật cần đo. GWR hoạt động dựa trên nguyên lý bộ phản
xạ miền thời gian (TDR). Với TDR, một xung sóng điện từ năng lượng thấp
được dẫn dọc đầu dò. Khi xung này tiếp xúc với bề mặt cần đo, năng lượng xung
sẽ được phản xạ về đầu dò và mạch đo sau đó phần xử lý tín hiện sẽ xử lý và
tính toán mức chất lỏng hoặc dòng dựa trên sự sai khác về xung gửi đi và xung
nhận về. Cảm biến có thể xuất tín hiệu ra là mức chất lỏng đã được phân tích
thông qua hiển hiện tương tự; hoặc số.
Không giống như công nghệ truyền thống, GWR cho khả năng đọc phép đo
độc lập với những tính chất lý hóa của môi trường đo mà nó tiếp xúc. Thêm vào
NHÓM 6

Page 8


đó, GWR hoạt động tốt trong cả môi trường lỏng và môi trường rắn. GWR phù
hợp với nhiều ứng dụng đo mức khác nhau.
1.2.3. Cảm biến áp suất.
Cảm biến áp suất ống đo áp suất tức thời trong ống phân phối và báo về
ECU với độ chính xác thích hợp và tốc độ đủ nhanh.

Cảm biến áp suất được đặt ở dưới đáy của bình. Nhiên liệu chảy vào cảm
biến áp suất ống thông qua một đầu mở và phần cuối được bịt kín bởi một màng
cảm biến. Thành phần chính của cảm biến là một thiết bị bán dẫn được gắn trên

màng cảm biến, dùng để chuyển áp suất thành tín hiệu điện. Tín hiệu do cảm
biến tạo ra được đưa vào một mạch khuyếch đại tín hiệu và đưa đến ECU.
Cảm biến hoạt động theo nguyên tắc:
Khi màng biến dạng thì lớp điện trở đặt trên màng sẽ thay đổi giá trị. Sự biến
dạng là do áp suất tăng lên trong hệ thống, sự thay đổi điện trở gây ra sự thay đổi
điện thế của mạch cầu điện trở.

NHÓM 6

Page 9


Điện áp thay đổi được khuyếch đại bởi mạch khuyếch đại và thay đổi trong
khoảng từ 5mA đến 40mA. Sự thay đổi này sẽ được đọc bởi module mở rộng
của PLC để trả ra giá trị digital, tùy theo độ phân giải được chọn mà giá trị
digital trả ra có thể thay đổi.
Từ giá trị digital đọc được ta có thể tính được giá trị áp suất đáy bình. Áp
dụng công thức

với P = áp suất đo được, ρ = khối lượng riêng, g = gia

tốc trọng lực, h = chiều cao của cột chất lỏng ta có thể tính ngược lại được chiều
cao của cột chất lỏng.
Việc kiểm soát một cách chính xác áp suất của ống là điều bắt buộc để hệ
thống hoạt động đúng. Đây cũng là nguyên nhân tại sao cảm biến áp suấ ống
phải có sai số nhỏ trong quá trình đo. Trong dải hoạt động của động cơ, độ chính
xác khi đo đạt khoảng 2%. Nếu cảm biến áp suất ống bị hư thì van điều khiển áp
suất sẽ được điều khiển theo giá trị định sẵn ECU.
Với mục đích nghiên cứu module mở rộng Alalog cuả PLC, nhóm chọn cảm
biến áp suất làm nhiệm vụ đọc giá trị mức nước.

1.3. Tìm hiểu về bộ điều khiển
1.3.1. Tìm hiệu về PLC
1.3.1.1 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
NHÓM 6

Page 10


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 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 kế các ưu
điểm chính của việc sử dụng PLC gồm:
NHÓM 6

Page 11


- 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:

Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ PLC

1.3.1.2

Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC

a. Cấu trúc
Tất cả các PLC đều có thành phần chính là :

NHÓM 6

Page 12


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.
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
NHÓM 6

Page 13


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
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…
b. Nguyên lý hoạt động của PLC

NHÓM 6

Page 14


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

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
NHÓM 6

Page 15


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.
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 chỉở 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 .
NHÓM 6

Page 16


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 .
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.
1.3.1.3: Các hoạt động bên trong PLC
NHÓM 6

Page 17


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 chỉở 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.
•
Cuối cùng, bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các modul
đầu ra.
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
NHÓM 6

Page 18


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 từ1÷ 10 µs.

1.3.2 Tìm hiểu sơ lược về PLC S7200 của SIEMEN
1.3.2. 1 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG S7-200
PLC S7-200 là một loại PLC cỡ nhỏ của công ty Siemens. Cấu trúc S7200 gồm 1 CPU và các module mở rộng cho nhiều ứng dụng khác nhau.S7-200
gồm nhiều loại: CPU 221, 222, 224, 226….có nhiều nhất 7 module mở rộng khi
có nhu cầu: tổng số ngõ vào/ra, ngõ vào/ra Analog, kết nối mạng ( AS-I,
Profibus ).
S7 200 có các đặc trưng về thông số kĩ thuật như sau : 

NHÓM 6

Page 19

Các đèn báo:
-

Có 3 loại đèn báo hoạt động
RUN: đèn xanh báo hiệu PLC đang hoạt động
STOP :đèn vàng –báo hiệu PLC
SF (system Failure):đèn đỏ báo hiệu PLC bị sự cố.
Có 2 loại đèn chỉ thị :
Ix.x: chỉ trạng thái logic ngõ vào.
Qx.x: chỉ trạng thái logic ngõ ra
 Đặc điểm ngỏ vào
Mức logic 1 : 24VDC/7mA
Mức logic 0 : đến 5VDC/1MA
Đáp ứng thời gian : 0.2ms
Cách ly quang : 500ACV
Địa chỉ ngõ vào : Ix.x
Đặc điểm ngõ ra:
NHÓM 6

Page 20


-

Điện áp tác động: 24 -28VDC/2A - Ngõ ra Relay hoặc transitor Sourcing
Chịu quá dòng đến 7.
Điện trở cách ly nhỏ nhất 100 m Ω
Điện trở công tắc 200 Ω
Điện trở công tắc: 200 m Ω

Thời gian chuyển mạch tối đa 10 ms
Không có chế độ bảo vệ ngắn mạch
Địa chỉ ngõ ra: Qx.x
Nguồn cung cấp
Điện áp nguồn 20-24 VDC
Dòng tối đa 900 mA
Thời gian duy trì khi mất nguồn 10 ms
Cầu chì bên trong 2A/250V - Công tắc chọn mode
Không có cách ly nguồn điện .

Mode công tắc chọn
Có 3 vị trí lựa chọn công tắc
RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình
PLC sẽ dừng chương trình khi có sự cố
TERM :cho phép máy lập trình quyết định chế độ hoạt động PLC
-

Cổng truyền thông
Sử dụng cổng RS485 để ghép nối với máy tính hoặc thiết bị khác.
Tốc độ truyền là 9600 bauds.
Cấu trúc cổng truyền thông được mô phỏng như sau :
Ghép nối PLC và máy tính
Sử dụng cáp PC/PPI chuyển đổi giữa RS232 và RS485 - Chuyển đổi và
kết nối như hình sau

NHÓM 6

Page 21

Chân PS845

Hình 5. Kết nối PLC với máy tính

1.3.2.2

CẤU TRÚC BỘ NHỚ S7-200.

NHÓM 6

Page 22


Bộ điều khiển lập trình S7-200 được chia thành 4 vùng nhớ. Với 1 tụ có nhiệm vụ
duy trì dữ liệu trong thời gian nhất định khi mất nguồn bộ nhớ S7-200 có tính năng
động cao, đọc và ghi trong phạm vi toàn vùng loại trừ các bít nhớ đặc biệt SM
( Special Memory) chỉ có thể truy nhập để đọc.
- Vùng chương trình:Là vùng bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ các lệnh chương
trình vùng này thuộc bộ nhớ trong đọc và ghi được.
Vùng tham số:Là vùng lưu giữ các tham số như: Từ khoá, địa chỉ trạm….cũng
giống như vùng chương trình thuộc bộ nhớ trong đọc và ghi được.
Vùng dữ liệu:Là vùng nhớ động được sử dụng cất các dữ liệu của chương trình bao
gồm các kết quả các phép tính nó được truy cập theo từng bit từng byte vùng này
được chia thành những vùng nhớ với các công dụng khác nhau. - Vùng I (Input
image register): Là vùng nhớ gồm 16 byte I (đọc/ghi): I.O - I.15
- Vùng Q (Output image register): Là vùng nhớ gồm 16 byte Q (đọc/ghi):
Q.O- Q.15
- Vùng M (Internal memory bits): là vùng nhớ gồm có 32 byte M (đọc/ghi):
M.O -M.31
- Vùng V (Variable memory): Là vùng nhớ gồm có 10240 byte V (đọc/ghi):

V.O - V.10239
- Vùng SM: (Special memory): Là vùng nhớ gồm: 194 byte của CPU chia làm 2
phần: SM0 – SM29 chỉ đọc và SM30 – SM194 đọc/ghi.
- SM200-SM549 đọc/ghi của các module mở rộng
Vùng đối tượng:Là timer (định thì), counter (bộ đếm) tốc độ cao và các cổng
vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng vùng này không thuộc kiểu
non – volatile nhưng đọc ghi được.
- Timer (bộ định thì): đọc/ghi T0 -T255
- Counter (bộ đếm): đọc/ghi C0 - C255
- Bộ đệm vào analog (đọc): AIW0 - AIW30
- Bộ đệm ra analog (ghi): AQW0 - AQW30
- Accumulator (thanh ghi): AC0 - AC3
- Bộ đếm tốc độ cao: HSC0 - HSC5
Tất cả các miền này đều có thể truy nhập được theo từng bit, từng byte, từng
từ đơn (word – 2byte), từ kép (Double word).
Cấu trúc chương trình:
- Chương trình cho S7-200 phải có cấu trúc bao gồm chương trình chính (main
program) sau đó đến các chương trình con và các chương trình xử lý ngắt.
Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình
(MEND).
NHÓM 6

Page 23


- Các chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chương trình, nếu cần sử dụng

chương trình xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc MEND.
Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trình
chính, sau đó đến ngay các chương trình xử lý ngắt bằng cách viết như vậy cấu

trúc chương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc chương trình có
thể trộn lẫn các chương trình con và chương trình xử lý ngắt đằng sau chương
trình chính.
1.3.2.3 Tìm hiểu tập lệnh cơ bản S7 200
a. Lệnh vào / ra.
•

Lệnh Load (LD):

Lệnh LD nạp giá trị logic của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của
ngăn xếp, các giá trị còn lại trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống một bit.
Toán hạng gồm: I, O, M, SM, V, C, T.
Tiếp điểm thường mở sẽ đóng khi ngõ vào PLC có địa chỉ là 1.

•

Lệnh Load Not (LDN):

Lệnh LDN nạp giá trị logic của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của
ngăn xếp, các giá trị còn lại trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống một bit.
Tiếp điểm thường đóng sẽ mở khi ngõ vào PLC có địa chỉ là 1

NHÓM 6

Page 24


Hình 6. Mô tả lệnh LD và LDN
Các dạng khác nhau của lệnh LD,LDN:

•

NHÓM 6

UTPUT (=):
Page 25