Thiết kế Hệ Thống Đều Khiển và Giám Sát Nhiệt Độ Lò

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN
ĐỀ TÀI số 01: Thiết kế Hệ Thống Đều Khiển và Giám Sát Nhiệt Độ Lò
MÔN : ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
BỘ MÔN: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN VĂN HÙNG
SINH VIÊN THỰC HIỆN:
Nguyễn Văn Lộc
Nguyễn Văn Nghĩa
Nguyễn Duy Nam
Hoàng Đình Lương
Liểu Văn Minh


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
Mục lục
CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................4
1.1 Phân tích hệ thống và mô tả công nghệ.......................................................4
1.2 Phương pháp đo...........................................................................................5
1.2.1 Phương pháp đo tiếp xúc..........................................................................5
1.2.1.1 Cặp nhiệt ngẫu ( Thermocouples )........................................................5
1.2.1.2 Cặp điện trở...........................................................................................5
1.2.1.3 Nhiệt kế bán dẫn....................................................................................5
1.2.2 Phương pháp đo không tiếp xúc...............................................................5
1.2.2.1 Nhiệt kế bức xạ......................................................................................5
1.2.3 Lựa chọn phương pháp đo........................................................................5
1.3 Tìm hiểu về PLC.........................................................................................6
1.3.1 Khái quát chung........................................................................................6

1.3.2Tìm hiểu PLC S7300...............................................................................10
1.3.3 Các module và đối tượng mở rộng.........................................................11
1.3.3.1 Các module của PLC S7300................................................................11
1.3.3.2 Module mở rộng SM334.....................................................................15
1.4Tìm hiểu về HMI ( WINCC, OPC)............................................................15
1.4.1 Tìm hiểu về HMI....................................................................................16
1.4.2 Tìm hiểu về Wincc.................................................................................18
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG.........................................................20
2.1Sơ đồ khối ..................................................................................................20
2.1.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống................................................................20
2.2 Chọn thiết bị cho các khối.........................................................................21

2


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
2.2.1Bộ điều khiển trung tâm..........................................................................21
2.2.2 Thiết bị thu nhiệt độ trong lò..................................................................22
2.2.3 Chọn module analog cho PLC s7300.....................................................24
2.2.4 Chọn van điện tử....................................................................................25
2.2.5 Các khối chức năng trong S7300...........................................................26
2.3 Sơ đồ ghép nối, giao tiếp giữa các thiết bị................................................29
2.3.1Thiết bị giao tiếp máy tính .....................................................................29
2.3.2Sơ đồ đấu nối cảm biến vào module analog............................................30
2.3.3 Sơ đồ đấu dây.........................................................................................31
2.2.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống................................................................29
2.2.2 Sơ đồ đấu nối cảm biến vào module SM334.........................................31
2.2.3 Sơ đồ đấu dây.........................................................................................33
2.4 Xây dưng thuật toán.................................................................................32
2.5 Xây dựng phần mềm.................................................................................37

2.5.1 Bảng địa chỉ............................................................................................37
2.5.2 Xây dựng chương trình...........................................................................37
2.6Thiết kế giao diện HMI..............................................................................42
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.................................................43
3.1 Kết quả đạt được.....................................................................................43
3.1.1 Kết quả nghiên cứu lý thuyết..................................................................43
3.1.2 Kết quả thực nghiệm..............................................................................43
3.2 Hạn chế tồn tại và phương hướng khắc phục............................................43
3.2.1Hạn chế tồn tại.........................................................................................43

3


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
3.2.2 Phương hướng khắc phục.......................................................................43

4


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÍ THUYẾT
1.1 Dựa vào hình vẽ công nghệ, phân tích yêu cầu và mô tả hoạt động.
 Yêu cầu:

Đo nhiệt độ tại điểm đo T1 và T2với nhiệt độ ổn định làm việc tại 310ºC, do
đó cần có hệ thống điều khiển được nhiệt độ chính xác và ổn định.
Từ yêu cầu trên nhóm em đi xây dựng Hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt
độ lò bao gồm các thành phần:
1. PC: Dùng lập trình, tạo giao diện, download chương trình cho PLC, hoạt

động, điều khiển và giám sát sự hoạt động của cả hệ thống.
2. PLC S7-300: Điều khiển trực tiếp đối tượng.
3. WINCC màn hình giao diện cho phép người sử dụng thiết lập thông
số điều khiển đối tượng tại phân xưởng làm việc.
4. Đối tượng điều khiển: Lò hơi
Điều khiển sự hoạt động của đối tượng thông qua module điều khiển
analog bao gồm việc xuất tín hiệu điều khiển và thu nhận tín hiệu phản hồi
(module này được gắn trên bộ S7-300).
Trong lò có 2 cảm biến để đo nhiệt độ của lò :
• T1: Điểm đo 1 có dải đo [ 0-400] º C, điểm làm việc là 310ºC
• T2: Điểm đo 2 có dải đo [ 0-800] º C
Và hệ thống đèn báo:
• RUN : Đèn báo hệ thống đang làm việc
• LA1: Đèn cảnh báo T1 nhiệt độ thấp ( nhỏ hơn 280ºC)
• HA1: Đèn cảnh báo T1 nhiệt độ cao ( lớn hơn 340ºC)
• HA2: Đèn cảnh báo T2 nhiệt độ cao ( lớn hơn 700ºC)
 Hoạt động của hệ thống:
Hoạt động của hệ thống như sau: khi ấn START khởi động hệ thống, đèn
báo hệ thống RUN sẽ sáng, van M mở cho hỗn hợp nhiên liệu vào lò đốt, khi
đó đèn báo nhiệt độ thấp LA1 sẽ sáng cho tới khi nhiệt độ trong lò bằng hoặc
lớn hơn 280 ºC . Hệ thống sẽ giám sát và điều khiển lò thông qua đóng mở
van hỗn hợp nhiên liệu M để lò hoạt động ở nhiệt độ làm việc là 310 ºC. Khi
nhiệt độ vượt quá điểm làm việc lớn hơn 340ºC , hệ thống sẽ đưa ra cảnh báo
bằng đèn HA1và giảm tỉ lệ mở van . Điểm đo nhiệt độ hơi ra từ lò T2 sẽ cảnh
báo khi nhiệt độ cao hơn 700ºC. Muốn dừng hệ thống ấn STOP .
Tín hiệu đầu ra cảm biến đo nhiệt độ là tín hiệu tương tự sẽ được đưa và
modul analog SM334 chuyển đổi tương tự - số A\D, tuân theo tín hiệu chuẩn
công nghiệp. có hai loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện.
• Điện áp 0 – 10V, 0 -5V
• Dòng điện 0- 20mA, 4- 20mA

5


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
Truyền thông với thiết bị HMI ( WinCC, OPC ) để nhận tín hiệu điều khiển
đồng thời truyền dữ liệu thu được hiển thị trên màn hình giám sát.
1.2 Phương pháp đo.
1.2.1 phương pháp đo tiếp xúc
1.2.1.1 Cặp nhiệt ngẫu ( Thermocouples ).
Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay
đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi có sự chênh
lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh một sức điện động V
tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh,
điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy đã cho ra các chủng loại cặp
nhiệt độ, mỗi loại cho ra một sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T.
1.2.1.2. Nhiệt kế nhiệt điện trở (THERMISTOR)
Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid. Các bột này được hòa trộn
theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ
cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.
- Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ;
Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại
NTC.
1.2.1.3. Nhiệt kế bán dẫn
Nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn.
Có các loại như Diode, Transistor, IC. Nguyên lý của chúng là dựa trên mức
độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường. Ngày nay
với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại
cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, chống
nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản và rẻ tiền.

1.2.2 Phương pháp đo không tiếp xúc
1.2.2.1. Nhiệt kế bức xạ ( còn gọi là hỏa kế- pyrometer ).
Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế ) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ của
những môi trường mà các cảm biến thông thường không thể tiếp xúc được
( lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến).
1.2.3 Lựa chọn phương pháp đo
Sau khi phân tích các phương pháp và thiết bị đo về ứng dụng thực tế và sự
phù hợp với yêu cầu của đồ án nên chúng em sử dụng cặp nhiệt ngẫu:
Đây là dụng cụ đo nhiệt độ rộng rãi trong công nghiệp với nguyên lý làm
việc :
• Hiệu ứng thomson: qua 1 dây dẫn có dòng điện I và hiệu nhiệt trên dây
dẫn là T1-T2 thì sẽ có 1 sự hấp thụ - tỏa nhiệt
• Hiệu ứng pentier: khi đóng điện đi qua 1 mối nối của 2 dây dẫn thì tại
vị trí mối nối sẽ có sự hấp thụ hay tỏa t0

6


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
Hiệu ứng seebeck: trong 1 dây dẫn bất kì khi có sự chênh lệch nhiệt độ
tại 1 điểm thì ngay tại điểm đó xuất hiện 1 suất điện động.
• 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 ngẫu. Cụ thể, chênh lệch nhiệt độ giữa hai
bên kết nối sinh ra một hiệu điện thế giữa hai bên kết nối và ngược lại. Hiệu
ứng này là cơ sở cho ứng dụng trong một số máy lạnh và máy phát điện,
không có các bộ phận chuyển động.
Nguyên tắc, cấu tạo của cặp nhiệt ngẫu dựa theo cơ sở thực nghiệm. Khi nung
nóng 1 dây kim loại hay 1 đoạn dây, tại đó tập trung điện tử tự do và có

khuynh hướng khuếch đại từ nơi tập trung nhiều đến nơi tập trung ít. Có
nghĩa là từ đầu nóng (+) sang (-) (hiệu ứng seebeck) ở đoạn dây xuất hiện 1
suất điện động thomson phụ thuộc vào bản chất kim loại.
Cấu tạo: cặp nhiệt điện được cấu tạo bằng 2 sợi kim loại khác nhau, và có ít
nhất là 2 mối nối. một đầu được giữ ở nhiệt độ chuẩn gọi là đầu ra đầu còn lại
tiếp xúc với đối tượng đo. Cặp nhiệt ngẫu có cực âm và cực dương đánh dấu
mầu đo tùy theo vật liệu chế tạo.
•

1.3 Tìm hiểu PLC
1.3.1 Khái quát chung
PLC, (viết tắt của programable logic controller) là thiết bị điều khiển
logic lập trình được, hay thiết bị logic khả trình cho phép thực hiện linh hoạt
các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Như vậy
với chương trình điều khiển trong PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn có
thể dễ dàng thay đổi thuật toán điều khiển và trao đổi thông tin với môi
trường bên ngoài ( PLC khác hoặc máy tính ).
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.
• Khối xử lý trung tâm:

Là một vi xử lý điều khiển tất cả các hoạt động của PLC như: Thực hiện
chương trình, xử lý vào/ra và truyền thông với các thiết bị bên ngoài.
• Bộ nhớ

Có nhiều các bộ nhớ khác nhau dùng để chứa chương trình hệ thống là
một phần mềm điều khiển các hoạt động của hệ thống, sơ đồ LAD, trị số của
Timer, Counter được chứa trong vùng nhớ ứng dụng, tùy theo yêu cầu của
người dùng có thể chọn các bộ nhớ khác nhau:

7


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
1. Bộ nhớ ROM: là loại bộ nhớ không thay đổi được, bộ nhớ này chỉ nạp
được một lần nên ít được sử dụng phổ biến như các loại bộ nhớ khác.
2. Bộ nhớ RAM: là loại bộ nhớ có thể thay đổi được và dùng để chứa các
chương trình ứng dụng cũng như dữ liệu chứa trong Ram sẽ bị mất khi mất
điện. Tuy nhiên, điều này có thể khắc phục bằng cách dùng Pin.
3. Bộ nhớ EPROM: Giống như ROM, nguồn nuôi cho EPROM không cần
dùng Pin, tuy nhiên nội dung chứa trong nó có thể xoá bằng cách chiếu tia cực
tím vào một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó nạp lại nội dung bằng máy
nạp.
4. Bộ nhớ EEPROM: kết hợp hai ưu điểm của RAM và EPROM, loại này có
thể xóa và nạp bằng tín hiệu điện. Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn.
Một PLC có đầy đủ các chức năng như: bộ đếm, bộ định thời, các thanh ghi
(registers) và tập lệnh cho phép thực hiện các yêu cầu điều khiển phức tạp
khác nhau. Hoạt động của PLC hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình nằm
trong bộ nhớ, nó luôn cập nhật tín hiệu ngõ vào, xử lý tín hiệu để điều khiển
ngõ ra.
•

Cấu trúc PLC

Hình 1.1 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),
8

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
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 1.8).
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 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
cổng vào tới I

QUÉT

Chuyển dữ liệu từ Q
tới cổng ra

Thực hiện
chương trình

Hình 1.2 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

9


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
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
Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ

•

Bảng 1.1 Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ
BOOL

Với dung lượng 1 bit và có giá trị 0 hoặc 1 ( đúng hoặc sai)

BYTE

Gồm 8 bit, thường được dùng để biểu diễn 1 số nguyên dương trong
khoảng từ 0 đến 255 hoặc mã ASCII của 1 kí tự

WORD

Gồm 2 bytes để biểu diễn 1 số nguyên dương từ 0 đến 65535

INT

Cũng có dung lượng là 2 bytes dùng để biểu diễn số nguyên trong
khoảng -32768 đến 32767

DINT

Gồm 4 bytes dùng để biểu diễn 1 số nguyên từ -2147483648 đến
2147483647

REAL

Gồm 4 bytes dùng để biểu diễn 1 số thực dấu phẩy động

S5T

Khoảng thời gian, được tính theo giờ/ phút/ giây/mili giây

TOD

Biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/giây

DATE

Biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày

CHAR

Biểu diễn 1 hoặc nhiều ký từ (nhiều nhất là 4 ký tự)

•

Các hãng sản xuất PLC:

10


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
- PLC ABB
- PLC Mitsubishi
- PLC Siemens
- PLC Rockwell
- PLC Omron
- PLC Panasonic
- PLC Schneider
- PLC Keyence
- PLC Delta
- PLC Kinco

- PLC LS
- PLC Virgo
- PLC Shihlin
- PLC Liyan
• Lựa chọn PLC sử dụng trong đề tài:

PLC SIEMENS SIMATIC S7 300 có ưu điểm sau:
- Tốc độ xử lý nhanh
- Cấu hình các tín hiệu I/O đơn giản
- Có nhiều loại module mở rộng cho CPU và cả cho các trạm remote
I/O
- Cổng truyền thông Ethernet được tích hợp trên CPU, hổ trợ cấu hình
mạng và truyền dữ liệu đơn giản.
- Kích thước CPU và Module nhỏ giúp cho việc thiết kế tủ điện nhỏ
hơn.
- Có các loại CPU hiệu suất cao tích hợp cổng profinet, tích hợp các
chức năng công nghệ, và chức năng an toàn (fail-safe) cho các ứng
dụng cao.
- Bao gồm 7 loại CPU tiêu chuẩn, 7 loại CPU tích hợp I/O, 5 loại CPU
fail-safe cho chức năng an toàn, 3 loại CPU công nghệ

1.3.2 Tìm hiểu PLC S7 300
•

Cấu trúc bộ nhớ của CPU S7–300
Bộ nhớ của S7–300 được chia làm 3 vùng chính:

11

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
Bảng 1.2 Cấu trúc bộ nhớ của CPU
Vùng chứa
chương
trình ứng
dụng

OB (Organisation Block): miền chứa chương trình tổ chức.
FC (Funcion): miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm
có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó.
FB (Function Block): miền chứa chương trình con, được tổ chức
thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối
chương trình nào khác. Các dữ liệu này được xây dựng thành khối dữ
liệu riêng (gọi là DB- Data Block)

Vùng chứa
tham số
của hệ điều
hành và
chương
trình ứng
dụng

I (process image input): miền bộ đệm các dữ liệu 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 tại 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 từ bộ nhớ đệm I.
Q (process image output): miền bộ nhớ 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 đến các cổng ra số.
M (Miền các biến cờ): chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này
để lưu dữ các tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit(M)
byte(MB) từ (MW) hay từ kép (MD)
T : miền nhớ phục vụ miền nhớ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu
giữ giá trị thời gian đặt trước (PV – Preset value), giá trị thời gian tức
thời (CV- Current value ) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ thời
gian.
C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter ) bao gồm việc lưu giữ giá trị
đặt trước ( PV - Preset value ),giá trị đếm tức thời (CV - current
value ) và giá trị logic đầu ra của bộ đếm.
PI: Miền địa chỉ cổng vào các module tương tự (I/O: external
input ).Các giá trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được
12


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
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 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 tương tự. Chương trình ứng dụng có thể truy
cập miền nhớ PQ theo từng byte (PQB), từng từ kép (PQD).
Vùng
chứa các
khối
dữ
liệu, được
chia thành

2 loại:

DB (Data block). Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối,
kích thước cũng như số lượng, khối do người sử dụng qui định và
phù hợp với từng bài toán điều khiển. Chương trình có thể truy cập
miền này theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW), từ kép
(DBD).
L ( Local data block ): Đây là 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 đã gọi nó. Nội dung của một số dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị
xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB, FC. FB.
Miền nhớ này có thể truy nhập từ chương trình theo bit (L), byte
(LB), từ kép LD

Các Module, đối tượng mở rộng
1.3.3.1 Các module của PLC S7-300

1.3.3

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).

13


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH

Hình 1.3 Cấu trúc một thanh Rack của PLC S7-300
•

Module CPU

Hình 1.4 Hình ảnh module CPU 312
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...
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. Các loại CPU được phân biệt với những modul CPU khác bằng

14


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
thêm cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi. Ví dụ modul 315-DP,
315-2DP

CPU S7 – 300 cần dùng trong đề tài:
Bảng 1.3 CPU S7 - 300
CPU 312
Bộ nhớ làm việc 16KB, chu kì lệnh 0.1us, tích hợp sẵn
10DI/6DO, 2 xung tốc độ cao 2.5 Khz, 2 kênh đọc xung
tốc độ cao 10 Khz
•

Module mở rộng
Được chia thành 5 loại chính :

Hình 1.5 Hình ảnh thực tế các module mở rộng của PLC S7-300

Module nguồn- PS 307 2A: dòng ra 2A, điện áp ra 24V, chống ngắn mạch
PS (power
supply).

Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230V tần số
50/60 Hz)
PS 307 5A: dòng ra 5A, điện áp ra 24V, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230V tần số
50/60 HZ)
PS 307 10A: dòng ra 10A, điện áp ra 24V, chống ngắn mạch

15


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
Nối với hệ thống AC một pha( điện áp vào 120/230V tần số
50/60 Hz)

Module tín
hiệu
SM (Signal
module

DI (digital input): Modul mở rộng các cổng vào số, số các cổng
vào có thể là 8,16,32 tuỳ theo từng loại. ví dụ: SM321 DI
16xAC120V, SM 321 DI16 xDC24V
DO (Digital output): modul mở rộng các cổng ra số, số các cổng
ra số mở rộng có thể là 8, 16, 32 tùy theo từng loại modul. Ví dụ:
SM 322 D0 16xDC24V/0.5A, SM 322 DO16xAC120/0.5A
DI/DO ( digital input, digital output): modul mở rộng các cổng
vào ra số.
Ví dụ: SM 323 DI16/DO16x24V/0.5A, SM 323
DI8/DO8x24V/0.5A
AI (Analog input): Modul mở rộng các cổng vào tương tự. Về
bản chất chúng chỉ là bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành một
tín hiệu số nguyên có độ dài 12bit. Số các cổng vào có thể là 2,4
hoặc 8 tùy từng loại modul.
Ví dụ: SM 331 AI2x12bit, SM331 AI8x12bit.
AO (Analog output): Modul mở rộng các cổng ra tương tự. Về
bản chất chúng chỉ là bộ chuyển đổi số tương tự (DA). Số cổng
ra tương tự có thể là 2 hoặc 4. Ví dụ: SM 332 AO2x12bit, SM
332 AO4x12bit

16


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
AI/AO(Analog input, analog output): Modul mở rộng các cổng

vào/ra tương tự. Ví dụ: SM 334 AI4/AO2x12bit, SM 335
AO4/AO2x14/12bit
Modul ghép

Modul ghép nối, đây là modul chuyên dụng có nhiệm vụ nối

nối

từng nhóm modul mở rộng lại với nhau thành một khối và được
quản lý chung bởi CPU.

IM (Interface
Module)

Ví dụ: IM 360 IM S, IM 361 IM R, IM 361 IM S-R.

Modul chức

Modul có chức năng điều khiển riêng. Ví dụ: FM 355C PID

năng

control,

FM( Function
FM 355 S PID control

module)

FM 355-2C temperature control

FM 355F STEPPER MOTOR
Modul truyền

Phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc

thong

giữa PLC với máy tính.

CP( communic
ation module)

Ví dụ: CP 342-5, CP 342-5 FO, CP 343-5.

Bảng 1.3.9 Các module mở rộng của PLC S7-300
1.3.3. 2 Module mở rộng SM334
SM 334 modul mở rộng 4 ngõ vào 2 ngõ ra analog 12bitcho S7-300có tích
hợp bộ chuyểnđổi ADC ( analog to digital converter)

17


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH

Hình 1.6 Sơ đồ khối của module analog SM334
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 tínhiệu tương tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra. Dùng để
kết nối các thiết bị đo vớibộ điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ.

• Analog output : Analog output cũng là một phần của module analog.
Thực chất nólà một bộ biến đổi số - tương tự (D/A). Nó chuyển tín
hiệu số ở đầu vào thành tínhiệu tương tự ở đầu ra. Dùng để điều khiển
các thiết bị với dải đo tương tự. Chẳnghạn 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 chuẩnphổ 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 vậyngười 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 vàchuyển đổi đo bộ transducer .
18


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH

1.4Tìm hiểu vể HMI ( WINCC, OPC)
1.4.1 Tìm hiểu vể 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 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,…
Bộ truyền và cảm biến trước kia đều không có HMI, nhiều thiết bị
trong số đó thậm chí không có cả một HMI đơn giản như một hiển thị đơn
thuần.
Rất nhiều trong số đó không có hiển thị, chỉ với một tín hiệu đầu ra.
Một số có một HMI thô sơ: một hiển thị ASCII đơn hoặc hai dòng ASCII
với một tập hợp các arrow cho lập trình, hoặc 10 phím nhỏ. Có rất ít các
thiết bị hiện trường, cảm biến và bộ phân tích từng có bảng HMI thực sự
có khả năng cung cấp hình ảnh đồ họa tốt, có cách thức nhập dữ liệu và
lệnh đơn giản, dễ hiểu, đồng thời cung cấp một cửa sổ có độ phân giải cao
cho quá trình lập trình.
Một trong những đặc điểm tiến bộ trong lĩnh vực này là hiển thị
dạng cảm ứng. Điều này giúp cho người điều khiển chỉ cần đơn giản ấn
từng phần của hiển thị có một “nút ảo” trên thiết bị để thực hiện hoạt động
hay nhận hiển thị. Nó cũng loại bỏ yêu cầu có bàn phím, chuột và gậy điều
khiển, ngoại trừ công tác lập trình phức tạp ít gặp có thể được thực hiện
trong quá trình thiết kế.
Một ưu điểm khác nữa của HMI hiện đại là hiển thị dạng tinh thể lỏng. Nó
chiếm ít không gian hơn, mỏng hơn hiển thị dạng CRT , và do đó có thể
Được sử dụng trong những không gian nhỏ hơn.
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.

 HMI truyền thống bao gồm:

Thiết bị nhập thông tin: công tắc chuyển mạch, nút bấm… Thiết bị xuất
thông tin,đèn báo, còi, đồng hồ đo, các bộ tự ghi dùng giấy.
• Nhược điểm của HMI truyền thống:
Thông tin không đầy đủ, không chính xác. Khả năng lưu trữ thông tin hạn
chế. Độ tin cậy và ổn định thấp , đối với hệ thống rộng và phức tạp: độ
phức tạp rất cao và rất khó mở rộng..

19


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
 Các thiết bị HMI hiện đại:

Do sự phát triển của công nghệ thông tin và công nghệ điện tử, HMI
ngày nay sử dụng các thiết bị tính toán mạnh mẽ.
• HMI hiện đại chia làm 2 loại chính:
HMI trên nền PC và Windows/MAC: SCADA. HMI trên nền các
máy tính nhúng: HMI chuyên dụng. Ngoài ra còn có một số loại HMI
biến thể khác MobileHMI dùng Palm , PoketPC.,
• Các ưu điểm của HMI hiện đại:
Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin. Tính mềm dẻo, dễ
thay đổi bổ xung thông tin cần thiết. Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở
rộng, dễ vận hành và sửa chữa. Tính “Mở”: có khả năng kết nối mạnh,
kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại giao thức Khả năng lưu trữ cao.
 Các thành phần của HMI:
Phần cứng,Màn hình, Các phím bấm, vi xử lí. Phần
Firmware:CPU,ROM,RAM,EPROM/Flash, …• Các đối tượng.
Các hàm và lệnh Phần mềm phát triển: Các công cụ xây dựng HMI.

Các công cụ kết nối, nạp chương trình và gỡ rối. Các công cụ mô phỏng
Truyền thông: Các cổng truyền thông. Các giao thức truyền thông
• Các thông số đặc trưng của HMI:
Độ lớn màn hình: quyết định thông tin cần hiển thị cùng lúc của
HMI.
Dung lượng bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ liệu, Flash dữ liệu: quyết
định số lượng tối đa biến số và dung lượng lưu trữ thông tin. Số lượng
các phím và các phím cảm ứng trên màn hình: khả năng thao tác vận
hành.
Chuẩn truyền thông, các giao thức hỗ trợ. Số lượng các đối tượng, hàm
lệnh mà HMI hỗ trợ. Các cổng mở rộng: Printer, USB , CF, PCMCIA,
PC100
 Quy trình xây dựng hệ thống HMI:
• Lựa chọn phần cứng:

Lựa chọn kích cỡ màn hình: trên cơ sở số lượng thông số/thông tin
cảm biến hiển thị đồng thời. Nhu cầu về đồ thị, đồ họa(lưu trình công
nghệ ). Lựa chọn số phím cứng, số phím cảm ứng tối đa cùng sử dụng
cùng lúc. Lựa chọn các cổng mở rộng nếu có nhu cầu in ấn, đọc mã
vạch, kết nối các thiết bị ngoại vi khác. Lựa chọn dung lượng bộ nhớ:
theo số lượng thông số cần thu thập số liệu, lưu trữ dữ liệu, số lượng
trang màn hình cần hiển thị

20


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
• Xây dựng giao diện:

Cấu hình phần cứng: chọn phần cứng, chuẩn giao thức. Xây dựng

các màn hình. Gán các biến số (tag) cho các đối tượng. Sử dụng các đối
tượng đặc biệt. Viết các chương trình script (tùy chọn). Mô phỏng và
chỉnh sửa chương trình. Nạp phần mềm xuống HMI.
1.4.2

Tìm hiểu WinCC

WinCC (Windows Control Center) là một phần chuyên dụng để xây dựng giao diện điều kh
trong các hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau và cả những hệ thống cấp cao như MES (M
Các đặc điểm chính của WinCC:
• WinCC sử dụng các công nghệ và phần mềm tiên tiến do Microsoft luôn là người dẫn
• WinCC có thể mở rộng một hệ thống từ đơn giản đến phức tạp một cách linh hoạt, từ
• WinCC có hàng loạt các module phần mềm kèm theo giúp định hướng theo từng loại
Tích hợp trong các bộ WinCC thường có các hệ quản trị cơ sở dữ liệu ODBC/SQL như Sys
WinCC cũng được tích hợp các giao diện chuẩn như DDE và OLE ... dùng chuyển đổi các c
Để lập trình sự kiện thì WinCC hỗ trợ ngôn ngữ lập trình chuẩn ANSI- C và VBScripts (Wi
Tất cả các module của WinCC giao diện mở cho giao diện lập trình dùng ngôn ngữ C (C-A
Có thể cài đặt trực tuyến WinCC bằng việc dùng thuật sĩ cài đặt (Setup Wizards)
WinCC hỗ trợ đa ngôn ngữ như Anh, Pháp, Đức và thậm chí cả một số ngôn ngữ châu Á, M
WinCC hỗ trợ hầu hết các loại PLC do nó đã gắn sẵn các kênh truyền thông để giao tiếp các
WinCC là phần tử SCADA trong hệ thống PCS7 của Siemens (là một hệ thống điều khiển q

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1 Sơ đồ khối
2.1.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống

21


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH

Hình 2.10 Sơ đồ khối hệ thống
•

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 313C)
• Khối cảm biến: là cảm biến nhiệt độ Thermocouple loại JK và chuyên để
đo nhiệt độ trong lò.
• Khối lò nhiệt là đối tượng cần đo, điều khiển có điểm đo nhiệt độ lò, và
nhiệt độ đầu ra của lò , khi nhận thấy giá trị vượt ngưỡng cho phép thì có
tín hiệu cảnh báo và thông qua khối giao tiếp người điều khiển có thể
đóng/mở van nhiên liệu để thay đổi nhiệt độ trong lò.
• Khối chương trình là máy tính 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 van điện từ điều khiển nhiệt độ lò bằng cách đóng mở theo %
được điều khiển thông qua PLC.
• Khối module Analog nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ chuyển tín
hiệu về PLC
2.2 Chọn thiết bị cho các khối
2.2.1 Bộ điều khiển trung tâm:

22


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
Thiết bị điều khiển lập trình (PLC – Programable logic controler) là thiết bị

điều khiển đặc biệt dự trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu
giữ các lệnh, thực hiện các chức năng và thuật toán để điều khiển các quá
trình có thể mô tả thiết bị như sau:
Chương trình
Tín hiệu
ngõ vào

Tín hiệu

PLC

ngõ ra

Hình 2.1 Cấu trúc PLC
Để có thể đo , điều khiển nhiệt độ trong lò cần chọn Module CPU cho PLC
S7-300
Chọn loại CPU S7-300 312C

Hình 2.2 Module CPU 312C
Các thông số của CPU 312C
S7-300, CPU 312C
6ES7312-5BE03-0AB0
Bảng 2.1 Các thông số của CPU 312C
Số đầu vào tích hợp sẵn:
10 DI DC
Số đầu ra tích hợp sẵn:
6 DO DC
Bộ đếm tốc độ cao tích hợp
2 x 10 KHz
sẵn:

23


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
Nguồn cung cấp:
WORKING MEMORY:
Phụ kiện yêu cầu:

24V DC
32Kbyte
FRONT CONNECTOR (1 X 40PIN)
Thẻ nhớ (MICRO MEMORY CARD)

Ngôn ngữ lập trình:
Bộ nhớ lưu chương trình:
Số đầu vào số tích hợp sẵn:
Số đầu ra số tích hợp sẵn:
Bộ đếm:
Bộ định thời:
Vùng địa chỉ vào/ra:
Vùng đệm vào/ra:
Kênh số vào/ra tối đa:
Kênh tương tự vào/ra tối đa:
Khả năng mở rộng modul:
Số modul tối đa:
Tần số chuyển mạch tối đa:
Đồng hồ thời gian thực
Kiểu kết nối:
Nguồn cung cấp:
Dòng tiêu thụ:

Công suất tiêu thụ:
Kích thước W x H x D:

Step 7, từ V5.1 hoặc cao hơn
MMC ( tối đa 4 MB)
10 ( 24 VDC)
6 ( 24 VDC)
128
128
1024/1024 byte ( có thể định địa chỉ tự do).
128/128 byte
256/256
64/32
Số CPU/Rack tối đa: 1/0
8
100Hz ( tải trở), 0.5 Hz ( tải cảm)
MPI
24 VDC
0.5A
6W
80 x 125 x 130

2.2.2 Thiết bị thu nhiệt độ trong lò
Là cảm biến chuyển đổi đại lượng nhiệt thành các đại lượng vật lý khác như
điện, áp suất... Cảm biến nhiệt độ có khả năng nhận biết được tín hiệu nhiệt
độ một cách chính xác và chuyển đổi thành tín hiệu đo lường.
Cặp nhiệt ngẫu được phân loại thành các loại sau:
Bảng 2.2 Các loại cảm biến

24

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH

•
•
•
•
•

Loại J: kết hợp giữa sắt và constantan, trong đó sắt là cực dương
constantan là cực âm. Hệ số seebeck là 51V/0C ở 200C
Loại T: kết hơp giữa đồng với constantan, đồng là cực dương .Hệ số
seebeck là 40V/0C ở 200C
Loại K: kết hợp giữa chromel (+) và alumel (-).Hệ số seebeck là
40V/0C ở 200C
Loại E: kết hợp giữa chromel (+) và constantan (-).Hệ số seebeck là
62V/0C ở 200C
Loại S,R,B: dùng hợp kim platinum và chodinum, có Hệ số seebeck là
7V/0C ở 200C

25