BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN LÂP TRÌNH : THIẾT KẾ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MỨC NƯỚC VÀ ÁP SUẤT CỦA MỘT NỒI HƠI

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BÁO CÁO
ĐỒ ÁN MÔN HỌC:ĐIỀU KHIỂN LÂP TRÌNH
ĐỀ TÀI SỐ 2 : THIẾT KẾ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
MỨC NƯỚC VÀ ÁP SUẤT CỦA MỘT NỒI HƠI
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN THU HÀ
NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN : NHÓM 2
TẠ VĂN HƯNG

NGUYỄN TRỌNG HIẾU

BÙI KHƯƠNG DUY

NGUYỄN VĂN HIẾU

TRẦN QUỐC DŨNG

NGUYỄN VĂN CHUNG

Hà Nội ngày…tháng…năm…

Page 1


Đề 2:

Nội dung: Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát mức nước và áp suất của một
nồi hơi.
Trong đó:

•
L: Điểm đo mức ( có điều khiển và cảnh báo)có dải đo từ [o - 3] m, điểm
làm việc là 1,5m.
•
P: điểm đo áp suất ( cảnh báo): có dải đo [0 – 30]bar,
•
RUN: đèn báo hệ thống đang làm việc.
•
LAL: đèn báo mức thấp (nhỏ hơn 0,5m),
•
HAL: đèn báo mức cao ( Lớn hơn 2,5m)
•
HAP:đèn cảnh báo áp suất Cao ( Lớn hơn 25 bar),
•
START, STOP: Hai nút ấn khởi động và dừng hệ thống.

Page 2


MỤC LỤC
PHẦN 1:CƠ SỞ LÍ THUYẾT...............................................................................................5
1.1. Mô tả công nghệ và phân tích hệ thống.....................................................................5
1.1.1.Mô tả công nghệ.......................................................................................................5
1.1.2.Phân tích hệ thống....................................................................................................6
1.2.Phương pháp đo...........................................................................................................6
1.2.1. Đo áp suất................................................................................................................6
1.2.2. Các phương pháp đo mức chất lỏng:......................................................................7
Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại
trong bình chứa. Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân
cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không......................7

+, Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu:..............7
- Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện....................................................................7
- Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu.................................................7
- Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu.............................7
Một số loại cảm biến đo mức chất lưu..................................................................................7
1.3.Tìm hiểu về PLC.........................................................................................................8
1.3.1.Khái quát chung về PLC S7-300..............................................................................8
-Cấu trúc PLC S7-300.......................................................................................................8
1.3.2.Các Module...............................................................................................................9
1.3.2.1. Cách thức PLC thực hiện chương trình.............................................................13
1.3.2.2.Module analog.....................................................................................................14
1.3.3Tìm hiểu về HMI.........................................................................................................17
1.3.3.1Tìm hiểu về HMI..................................................................................................17
1.3.3.2Tìm hiểu về WINCC............................................................................................19
2.Các thành phần cơ bản của WinCC.............................................................................20

Page 3


3.Nguyên tắc hoạt động của WinCC Một chương trình của chúng ta sẽ được tạo ra bởi
các công cụ soạn thảo ( bao gồm các chương trình Graphic System, Alarm Logging,
Archive System…) . Các thông số trong chương trình của ta sẽ được lưu trong vùng
nhớ dữ liệu CS (Configuration database) .......................................................................20
4.Quy trình tạo một project trên WinCC.........................................................................20
CHƯƠNG II : THIẾT KẾ HỆ THỐNG.............................................................................23
2.1. Xây dựng sơ đồ khối................................................................................................23
2.2. Lựa chọn thiết bị.......................................................................................................24
2.2.1. Lựa chọn cảm biến áp suất....................................................................................24
2.1.2. Lựa chọn cảm biến đo mức...................................................................................25
2.1.3. Lựa chọn PLC........................................................................................................27

2.1.4. Lựa chọn biến tần..................................................................................................31
2.1.5. Lựa chọn động cơ bơm nước................................................................................32
2.3. Xây dựng lưu đồ thuật toán......................................................................................33
2.5. Xây dựng phần mềm................................................................................................37
2.6. Thiết kế giao diện HMI............................................................................................41
3.1 – Kết quả đạt được.....................................................................................................42
3.2-Hạn chế tồn tại và phương hướng khắc phục...........................................................42

Page 4


PHẦN 1:CƠ SỞ LÍ THUYẾT
1.1. Mô tả công nghệ và phân tích hệ thống.
1.1.1.Mô tả công nghệ.
-Khởi động hệ thống , ấn START hệ thống khởi động.Đèn RUN sáng báo hệ
thống đang làm việc.Mức nước [0-0,5]m van M mở và đèn LAL sáng báo
mức nước thấp nước được cấp vào nồi hơi,khi mức nước lớn hơn 0,5m thì
đèn LAL tắt, nước tiếp tục được bơm vào nồi hơi.khi mức nước tăng dần đến
1,5m thì máy bơm hoạt động.Khi mức nước vượt quá 2,5m thì đèn HAL sáng
báo hiệu nước ở mức cao van M đóng lại,ngưng cấp nước cho nồi hơi.Áp suất
trong nồi tăng dần cho đến khi áp suất trong nồi hơi lớn hơn 2,5bar thì đèn
HAP sáng cảnh báo áp suất cao.Ấn STOP hệ thống ngừng hoạt động.Kết
thúc quá trình làm việc.

Hình 1.1: hình ảnh hệ thống
Page 5


1.1.2.Phân tích hệ thống.
- Các thông số đo của hệ thống

+ Đo áp suất [0-30]bar
+ Đo mức nước [0-3]m
- Đối tượng điều khiển và giám sát là các nút ấn & các đèn
+ START: Khởi động hệ thống
+STOP : Dừng hệ thống
+RUN: Hệ thống hoạt động
+LAL : Đèn báo mức thấp( Nhỏ hơn 0,5m),
+HAL : Đèn báo mức cao( Lớn hơn 2,5m)
+HAP: Đèn báo áp suất cao( Lớn hơn 25bar)
1.2.Phương pháp đo
1.2.1. Đo áp suất
- Phương pháp đo áp suất phụ thuộc vào dạng áp suất
1.
2.
-

Đo áp suất tĩnh
Đo trực tiếp chất lưu thông qua 1 lỗ khoan trên thành bình
Đo gián tiếp thông qua biến dạng của thành bình dưới tác động của áp suất
Đo áp suất động
Dựa theo nguyên tắc chung là đo hiệu suất tổng và áp suất tĩnh
Có thể đo bằng cách đặt áp suất tổng lên màng trước, đặt áp suất tĩnh lên
màng sau của màng đo, tín hiệu đưa ra là đọ chênh lệch giữa áp suất tổng và

áp suất tĩnh
- Áp suất có đơn vị đo là pascal (Pa)
- Trong công nghiệp còn dùng đơn vị đo là bar (1bar= 10^5 Pa)
Công thức xác định :
- dF: lực tác dụng
-dS: diện tích thành ống chị lực tác dụng.

-Trong đề tài này. Chúng em đo áp suất bằng cách sử dụng Cảm Biến áp suất
để đo. Với ưu điểm đơn giản, dễ dàng sử dụng, hơn nữa có thể bảo dưỡng
định kì. Chất lượng đảm bảo.
Page 6


1.2.2. Các phương pháp đo mức chất lỏng:
-Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng.
Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại
trong bình chứa. Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng
nhị phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay
không.
+, Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu:
- Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện.
- Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu.
- Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu.
Một số loại cảm biến đo mức chất lưu
* Cảm biến độ dẫn
Các cảm biến loại này dùng để đo mức các chất lưu có tính dẫn điện (độ dẫn điện ~
50μScm-1). Trên hình 1.2 giới thiệu một số cảm biến độ dẫn đo mức thông dụng.

Hình 1.2: Cảm biến độ dẫn
a, Cảm biến hai điện cực b, Cảm biến một điện cực c, Cảm biến phát hiện mức
Sơ đồ cảm biến hình 1.2 a gồm hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng dẫn
điện. Trong chế độ đo liên tục, các điện cực được nối với nguồn nuôi xoay chiều ~
10V (để tránh hiện tượng phân cực của các điện cực). Dòng điện chạy qua các điện
cực có biên độ tỉ lệ với chiều dài của phần điện cực nhúng chìm trong chất lỏng.
Page 7

Sơ đồ cảm biến hình 1.2b chỉ sử dụng một điện cực, điện cực thứ hai là bình chứa
bằng kim loại.
Sơ đồ cảm biến hình 1.2c dùng để phát hiện ngưỡng, gồm hai điện cực ngắn đặt
theo phương ngang, điện cực còn lại nối với thành bình kim loại,vị trí mỗi điện cực
ngắn ứng với một mức ngưỡng. Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng điện
trong mạch thay đổi mạnh về biên độ.
* Cảm biến tụ điện
Khi chất lỏng là chất cách điện, có thể tạo tụ điện bằng hai điện cực hình trụ nhúng
trong chất lỏng hoặc một điện cực kết hợp với điện cực thứ hai là thành bình chứa
nếu thành bình làm bằng kim loại. Chất điện môi giữa hai điện cực chính là chất
lỏng ở phần điện cực bị ngập và không khí ở phần không có chất lỏng. Việc đo
mức chất lưu được chuyển thành đo điện dung của tụ điện, điện dung này thay đổi
theo mức chất lỏng trong bình chứa. Điều kiện để áp dụng phương pháp này hằng
số điện môi của chất lỏng phải lớn hơn đáng kể hằng số điện môi của không khí
(thường là gấp đôi).
Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một điện
cực kim loại bên ngoài có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện môi còn
chất lưu đóng vai trò điện cực thứ hai.
1.3.Tìm hiểu về PLC
Theo yêu cầu cầu đề tài có sử dụng winCC để mô phỏng hệ thống. Mặc dù
gần 2 năm quá chúng em được tìm hiểu về PLC S7-200. Tuy nhiên do Win CC
không tương thích với loại PLC S7-200. Do vậy chúng em quyết định sử dụng
loại PLC S7-300. Chúng tương thích với Win CC trong quá trình ô phỏng. Đây
cũng là cơ hội cho chúng em biết hơn về các loại PLC.
1.3.1.Khái quát chung về PLC S7-300
-Cấu trúc PLC S7-300
PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control) là
loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua
một ngôn ngữ lập trình. PLC là một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật
Page 8

toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh ( với PLC
khác hoặc với máy tính). Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ
nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình ( Khối OB, FC hoặc FB) và
được thực hiện theo chu kỳ vòng quét.

Hình 1.3 Nguyên lí chung về cấu trúc của một bộ điều khiển logic khả trình
(PLC)
Để có thể thực hiện được một chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có
tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều
hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển và tất nhiên phải có cổng vào/ ra
để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi
trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC
cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ
thời gian (Timer)và những khối hàm chuyên dụng (hình 1.4).

1.3.2.Các Module
Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần
lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào/ra khác nhau mà các bộ
điều khiển PLC được thiết kế không được cứng hoá về cấu hình. Chúng được
Page 9


chia nhỏ thành các module. Số các module được chia nhiều hay ít tuỳ theo
từng bài toán, song tối thiểu phải có một module chính là module CPU. Các
module còn lại là các module nhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển, các
module chức năng chuyên dụng như các module PID, điều khiển động
cơ....Chúng được gọi chung là modul mở rộng. Tất cả các module được gá trên
những thanh ray (Rack).

Hình 1.4. Cấu trúc một thanh Rack của PLC S7-300

Theo yêu cầu công nghệ của đề tài. Trong hệ thống cần đo các đại lượng :
-Áp suất: P(bar)
-Mức nước: H(m)

Page 10


Do đó ta cần chọn các module sau: Module CPU, Module nguồn – PS
( Power supply), Module ghép nối IM (Interface module),Module tín hiệu SM
(Signal module). Module truyền thông(được sử dụng khi giao tiếp với máy
tính...)

1.

Module CPU

Hình 1.5. Hình ảnh module CPU 312C
Modul CPU là modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ
thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS 485)... và có thể còn có một vài
cổng vào/ra số. Các cổng vào/ra số có trên modul CPU được gọi là cổng
vào/ra onboard.
Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau. Nói chung chúng
được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như modul 312, modul 314, modul
315...
Những modul cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng
vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư
viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này

sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM
(Intergrated Function Module). Ví dụ modul 312 IFM, modul 314 IFM...
Page 11


Ngoài ra còn có các loại modul CPU với hai cổng truyền thông, trong đó
cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân
tán. Tất nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những phần mềm tiện
dụng thích hợp cũng đã được cài sẵn trong hệ điều hành. Các loại CPU được
phân biệt với những modul CPU khác bằng thêm cụm từ DP (Distributed Port)
trong tên gọi. Ví dụ modul 315-DP, 315-2DP

2.

Hình 1.6 Hình ảnh thực tế các module mở rộng của PLC S7-300
Module nguồn – PS ( Power supply)
Có chức năng cung cấp nguồn cho các module của hệ Simatic S7_300.
Module nguồn có 3 loại : 2A, 5A, 10A
*PS 307 2A dòng ra 2A
Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz)
*PS 307 5A dòng ra 5A
Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz)
*PS 307 10A dòng ra 10A
Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz)

3. Module ghép nối 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 một khối và được quản ly chung bởi
modul 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 modul
mở rộng (không kể modul CPU, modul nguồn nuôi. Một modul CPU S7-300
Page 12


có thể làm việc trực tiếp được với nhiều nhất 4 Racks và các Racks này phải
được nối với nhau bằng modul IM
4. Module tín hiệu SM (Signal module)
SM (Signal modul): modul mở rộng cổng tín hiện vào/ra bao gồm:
+ DI (digital input): modul mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở
rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại module.
+ DO (digital output): modul mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở
rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại modul
+ DI/DO (digital input/digital output): modul mở rộng các cổng vào/ra số. Số
các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8vào/8ra, 16vào/16 ra theo từng loại
modul.
+ AI (analog input): Modul mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản chất
chúng chính là các bộ chuyển đổi tương tự số12 bit (AD), tức là mỗi tín hiệu
tương tự được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bit. Số các
cổng vào tương tự có thể là 2,4 hoặc 8 tuỳ từng loại modul.
+ AO (analog output): Modul mở rộng các cổng ra tương tự. Về bản chất
chúng chính là các bộ chuyển đổi số tương tự (DA). Số các cổng ra tương tự
có thể là 2 hoặc 4 tuỳ từng loại modul.
+
AI/AO (analog input/analog output): Modul mở rộng các cổng
vào/ra tương tự. Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4vào/4
ra tuỳ từng loại modul.
5. Module truyền thông CP ( Communication module)

Phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với
máy tính.
1.3.2.1. Cách thức PLC thực hiện chương trình
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp, mỗi vòng lặp được gọi là
vòng quét (scan), mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ
các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương
trình.Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến
Page 13


lệnh kết thúc của khối OB1 (Block End). Sau giai đoạn thực hiện chương trình
là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đếm ảo Q tới các cổng ra số, vòng quét
được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm soát lỗi.

Truyền thông và
kiểm tra nội bộ

VÒNG
Chuyển dữ liệu từ Q
tới cổng ra

QUÉT

Chuyển dữ liệu từ
cổng vào tới I

Thực hiện chương
trình

Hình 1.7 vòng quét 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 thực hiện trong khoảng thời gian như nhau. Có vòng quét
thực hiện lâu có vòng quét thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương
trình được thực hiện, vào khối dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó.
Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín
hiệu điều khiển tới các đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời
gian vòng quét. Nói cách khác thời gian vòng quét quyết định tính thời gian
thực của chương trình điều khiển trong PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn thì
tính thời gian thực của chương trình càng cao
1.3.2.2. Module analog
Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc
xử lý các tín hiệu số
Analog input: Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D). Nó
chuyển tín hiệu tương tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra. Dùng để kết nối
các thiết bị đo với bộ điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ.
Page 14


Analog output : Analog output cũng là một phần của module analog. Thực
chất nó là một bộ biến đổi số - tương tự (D/A). Nó chuyển tín hiệu số ở đầu
vào thành tín hiệu tương tự ở đầu ra. Dùng để điều khiển các thiết bị với dải đo
tương tự. Chẳng hạn như điều khiển Van mở với góc từ 0-100%, hay điều khiển
tốc độ biến tần 0-50Hz.
Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc
dòng điện. Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín
hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng . . . Vì vậy
người ta cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này về tín
hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đo hay
cảm biến.

Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input và tín
hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của công nghiệp.Có
2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện.
Điện áp : 0 – 10V, 0-5V, ± 5V…
Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA, ± 10mA.
Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn . Vì
vậy người ta cần phải dùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng về chuẩn
công nghiệp.
Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộ cảm
biến hoàn chỉnh , thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn là thiết đo
và chuyểnđổi đo ( bộ transducer).

Page 15


Module analog
Thiết bị cảm biến

Tín hiệu vào
không điện

Đầu đo

Thiết bị
chuyển
đổi

0 – 10V
Analog Input
4-20 mA

Tín hiệu ra tương tự
0 – 10 V
4 – 20 mA

( A/D)
Các con số
Analog Output
( D/A)
Các con số

Hình 1.8. Quá trình chuyển đổi ADC (analog to digital conveter)
SM 334 là 1 module tương tự gồm có 4AI và 2AO 12bit có tích hợp bộ
chuyển đổi ADC ( analog to digital converter)

Hình 1.9. Hình ảnh module analog SM331

Page 16


Hình 1.10. Sơ đồ khối của Module analog SM331
1.3.3 Tìm hiểu về HMI
1.3.3.1 Tìm hiểu về HMI
HMI là từ viết tắt của Human-Machine-Interface, có nghĩa là thiết bị giao
tiếp giữa người điều hành thiết kế với máy móc thiết bị.
Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao tiếp” với một
máy móc thì đó là một HMI. Cảm ứng trên lò viba của bạn là một HMI, hệ
thống số điều khiển trên máy giặt, bảng hướng dẫn lựa chọn phần mềm hoạt
động từ xa trên TV đều là HMI,…
Các ưu điểm của HMI

Ưu điểm lớn nhất là trong các máy tính nhúng có hình dạng nhỏ gọn giúp nó
thay thế hiển thị 2 đường trên một công cụ thông thường hay trên bộ truyền với
một HMI có đầy đủ tính năng.
Người điều khiển làm việc trong không gian rất hạn chế tại sản nhà máy. Đôi

Page 17


khi không có chỗ cho họ, các công cụ, phụ tùng và HMI cỡ lớn nên họ cần có
HMI có thể di chuyển được.
- Một số hệ thống HMI

Hình 1.10. HMI điều khiển trực tiếp 1 bộ điều khiển thông qua
PROFIBUS

Hình 1.11HMI điều khiển nhiều bộ điều khiển thông PROFIBUS

Page 18


Hình 1.12HMI kết nối với máy chủ thông qua đường truyền
LAN(TCP/IP)
1.3.3.2 Tìm hiểu về WINCC
WinCC (Window Control Center) là phần mềm tạo dựng hệ SCADA và
HMI rất mạnh của hãng SIEMENS hiện đang được dùng phổ biến trên thế giới
và Việt Nam. WinCC hiện có mặt trong rất nhiều lĩnh vực như sản xuất xi
măng, giấy, théo, dầu khí,…
WinCC là một hệ thống điều khiển trung lập có tính công nghiệp và có tính
kỹ thuật, hệ thống màn hình hiển thị đồ họa và điều khiển nhiệm vụ trong sản
xuất và tự động hóa quá trình. Hệ thống này đưa ra những module chức năng

tích hợp công nghiệp cho hiển thị đồ họa, những thông báo, những lưu trữ và
những báo cáo. Nó là một trình điều khiển mạnh, nhanh chóng cập nhật các
ảnh và những chức năng lưu trữ an toàn, bảo đảm một tính lợi ích cao đem lại
cho người vận hành một giao diện trực quan dễ sử dụng, có khả năng giám sát
và điều khiển quá trình công nghệ theo chế độ thời gian thực.
Ngoài những chức năng hệ thống, WinCC đưa ra những giao diện mở cho
các giải pháp của người dùng. Những giao diện này làm cho nó có thể tích hợp
trong những giải pháp tự động hóa phức tạp, các giải pháp cho công ty mở. Sự
truy nhập tới cơ sở dữ liệu tích hợp bởi những giao diện chuẩn ODBC và SQL,
sự lồng ghép những đối tượng và những tài liệu được tích hợp bởi OLE2.0 và
OLE Custom Controls (OCX). Những cơ chế này làm cho WinCC là một đối
tác dễ hiểu, dễ truyền tải trong môi trường Windows
Để xây dựng được giao diện HMI bằng phần mềm WinCC thì cấu hình phần
cứng phải bao gồm thiết bị PLC S7-xxx và cấu hình phần cứng tối thiểu của
máy tính cho việc sử dụng phần mềm WinCC và các thiết bị khác phục vụ cho
việc truyền thông.
Page 19


2.Các thành phần cơ bản của WinCC
- Communications Drivers : là các driver giúp WinCC có thể thực hiện giao
tiếp với các thiết bị theo các tiêu chuẩn khác nhau, ví dụ như theo chuẩn
mạng profibus, chuẩn mạng modbus…
- Graphics Designer : là công cụ giúp người dùng tạo các giao diện tương
thích với hệ thống thực tế, từ đó người dùng có thể thực hiện các thao tác
điều khiển các thiết bị của hệ thống đó .
- Tag Logging : là công cụ thực hiện việc lấy dữ liệu từ các quá trình thực thi,
chuẩn bị để hiển thị và lưu trữ các dữ liệu . Từ những dữ liệu trên giúp thiết
lập các thông báo, các bảng, biểu hoàn chỉnh về giá trị của quá trình .
- Alarm Logging : đây là công cụ giúp cung cấp các thông tin về các lỗi phát

sinh và trạng thái hoạt động toàn diện của hệ thống . Từ công cụ Alarm
Logging nó giúp người dùng sớm nhận ra các tình trạng nguy cấp của hệ
thống từ đó tránh và giảm thiểu rủi ro, nâng cao chất lượng cho hệ thống .
3.Nguyên tắc hoạt động của WinCC
Một chương trình của chúng ta sẽ được tạo ra bởi các công cụ soạn thảo
( bao gồm các chương trình Graphic System, Alarm Logging, Archive
System…) . Các thông số trong chương trình của ta sẽ được lưu trong
vùng nhớ dữ liệu CS (Configuration database) .
- Khi runtime, thì phần mềm Runtime sẽ đọc các thông tin từ vùng dữ liệu CS
và Project được khởi động . Các giá trị của các biến quá trình sẽ được lưu
vào vùng dữ liệu RT (Runtime database) . Các biến thực tế này sẽ được đưa
đến màn hình giao diện ( tạo bởi Graphics Designer ), đến hệ thống lưu trữ...
4.Quy trình tạo một project trên WinCC
- Tạo một dự án “project” WinCC mới
Có 3 lựa chọn cho dự án
Single-User Project : Dự án thực hiện trên máy đơn
Multi-User Project
Multi-Client Project

Page 20


- Chọn PLC hoặc Drivers từ Tag Management .
Mục đích : để thiết lập kết nối truyền thông giữa WinCC với các thiết bị
(chủ yếu là PLC ) bằng một mạng liên kết chúng với nhau trong việc trao đổi
dữ liệu . Mỗi một driver có định dạng *.chn . Ví dụ : để liên kết WinCC với S7300 ta có thể chọn driver “ SIMATIC S7 Protocol Suite.chn ”, để liên kết
WinCC với S7-200 thông qua mạng Modbus ta có thể chọn driver “Modbus
Serial.chn ”…
Sau khi ta chọn Driver, thì mỗi một Driver sẽ xuất hiện các loại cổng kết nối
riêng của nó . Trong WinCC thì mỗi cổng được gọi là một channel . Các cổng

này thông thường chỉ định cổng COM của máy tính .
Để thêm một kết nối Driver mới, ta chỉ cần nhấp phải chuột vào các cổng kết
nối >> chọn New Driver Connection .
- Tạo các biến ( Tag )
Để tạo kết nối các thiết bị của một dự án trong WinCC., trước tiên phải tạo
các Tags trên WinCC. Tags được tạo dưới Tags Management. Gồm có Tags nội
và Tags ngoại.
Tags Internal (tags nội) : là Tag có sẵn trong WinCC. Những Tags nội này là
những vùng nhớ trong WinCC, nó có chức năng như một PLC thực sự.
Tags External (Tags ngoại) : Là Tag quá trình, nó phản ánh thông tin địa chỉ
của hệ thống PLC khác nhau.
Các Tags có thể được lưu trong bộ nhớ PLC hoặc trên các thiết bị khác nối
với PLC thông qua các Tags.
- Tạo hình ảnh từ cửa sổ giao diện Graphic Designer
Ta phải tạo một màn hình giao diện cho quá trình điều khiển và giám sát .

Page 21


Các tạo một màn hình mới : Right click >> Graphics Designer >> New
Picture

Page 22


CHƯƠNG II : THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1. Xây dựng sơ đồ khối
Với yêu cầu: Xây dựng một hệ thống điều khiển, giám sát mức nước và
áp suất của một nồi hơi.
Ý tưởng thiết kế:

Máy
tính

Chắc chắn ta phải sử dụng PLC trong hệ thống.
Cảm biến để đo áp suất và mức nước đưa vào PLC
Máy tính để giao tiếp qua lại với PLC
Động cơ bơm nước.
Biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ bơm nước thông qua PLC

Biến tần

PLC

Động cơ
bơm nước

Cảm biến

Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống
-

-

-

Khối cảm biến: Gồm có cảm biến mức nước và áp suất, lấy thông tin mức
nước và áp suất đưa về module tương tự.
Khối PLC: là khối đọc tín hiệu từ module tương tự (tín hiệu đã được
chuyển đổi về dạng số) báo về, xử lý tín hiệu số theo chương trình đã
có sẵn trong bộ VXL (ở đây ta sử dụng PLC S7-300 CPU 312C)

Khối máy tính: là khâu giám sát, là môi trường trao đổi dữ liệu giữa
người vận hành và khâu xử lý trung tâm (ở đây ta sử dụng phần mềm
WinCC v7.0 dùng để giám sát và Step7 dùng để quản lý PLC).
Khối biến tần: nhận tín hiệu điều khiển từ PLC để điều khiển tốc độ động
cơ bơm nước hệ thống
Khối động cơ gồm động cơ bơm nước.
Page 23


2.2. Lựa chọn thiết bị
2.2.1. Lựa chọn cảm biến áp suất
- Vị trí đặt cảm biến áp suất: Trên thành của nồi hơi.
- Tín hiệu đầu ra của cảm biến là tín hiệu analog (tín hiệu tương tự)sẽ được đưa
vào module mở rộng SM331 của PLC S7-300.
-Với dải đo P = 0- 30bar
- Ta có hàm tính toán như sau:

Pr =

Pđ

Cảm biến áp suất 50bar Sensys M5256-C3079E-050BG

Hình 2.2 Cảm biến áp suất của hãng SENSYS
Thông số kỹ thuật:
- Phạm vi đo: 0 ~ 50bar
- Ngõ ra: 4~20mA (được bảo vệ nối ngược cực và ngắn mạch).
- Nguồn cấp: 9-30VDC.
Page 24

- Điện trở cách điện: 100MΩ, @500VDC
- Kiểu nối cáp: Mini DIN43650
- Nối ren: PT1/4"
- Nhiệt độ hoạt động: -40~125℃.
- Áp suất đột ngột: 5 lần áp suất định mức
- Thân vỏ thép không gỉ
- Chịu rung 20G, 20~200Hz
- Trọng lượng: 85g.
- Môi chất: nước, dầu, khí.
- Giấy hợp chuẩn CE về công nghệ nặng.
-Xuất xứ: Korea.

2.1.2. Lựa chọn cảm biến đo mức
Cảm biến laze được đặt trên nóc bình chứa phát một tia laze xuống bề mặt chất
lưu. Tia này bị dội ngược lại tới bộ phát hiện của cảm biến. Mạch điện định thời đo
thời gian đi của tia sáng và tính toán ra mức của chất lưu. Lợi thế của tia laze là
không bị phân tán,không bị ảnh hưởng bởi âm thanh và được truyền thẳng qua
không khí.Phương pháp đo bằng tia laze có độ chính xác cao, ngay cả trong điều
kiện môi trườnghơi nước hay bọt bóng, và có khoảng cách đo lên đến 450m. Đây
là phương pháp lýtưởng trong những bình chứa có nhiều vật cản. Đối với những
ứng dụng có áp suất vànhiệt độ cao như trong lò phản ứng hạt nhân thì laze là
phương pháp lựa chọn hàng đầu
Tín hiệu ra cảu cảm biến laze này được đưa vào module mở rộng analog SM331
của PLC S7-300.
Với dải đo 0- 3m.
Ta có hàm tính toán như sau:

Lr =

Lđ

Page 25