thiết kế hệ thống cân định lượng

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU

PHẦN 1: Tổng quan về đề tài
Chương 1: Giới thiệu hệ thống cân định lượng
Chương 2: Thiết bị
Chương 3: Giới thiệu PLC S7 300
Chương 4: Tổng quan hệ thống SCADA phần mềm WINCC

PHẦN 2: Mô phỏng và lập trình
Chương 1: Mô phỏng WINCC
Chương 2: Lập trình PLC

Page 1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình sản xuất tại các nhà máy, khu công nghiệp tập trung hiện nay khâu
định lượng vô cùng quan trọng. Khâu định lượng giúp xác định chính xác khối lượng
nguyên vật liệu, thành phẩm và bán thành phẩm tronng sản xuất. Các thiết bị định lượng
có mặt trong hầu hết các khâu trong hệ thống, công đoạn sản xuất: cung ứng tồn trữ
nguyên vật liệu, cấp liệu cho từng giai đoạn, cân và đóng gói sản phẩm…
Tự động điều khiển giám sát các quá trình sản xuất nói chung và cân định lượng nói

riêng là một trong những ưu tiên hàng đầu của cac doanh nghiệp nhằm nâng cao năng
suất hạ giá thành sản phẩm, giảm chi phí hoạt động tăng cường khả năng cạnh tranh trong
quá trình hội nhập hiện nay.
Những ứng dụng và lợi ích của hệ thống cân định lượng là rất lớn vì vậy em đã lựa
chọn để tài “ thiết kế hệ thống cân định lượng”. Thông qua những tìm hiểu của em về hệ
thống cân định lượng còn nhiều thiếu sót mong nhận được sự đánh giá và góp ý của thầy
cô.
Em xin trân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Page 2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG
1.1 Giới thiệu chung
Cùng với sự phát triển kinh tế, sự mở rộng sản xuất công nghiệp ứng dụng của hệ thống
cân định lượng ngày càng lớn. Yêu cầu cho hệ thống ngày càng đòi hỏi độ chình xác cao,
sản lượng lớn. Những ứng dụng của hệ thống cân định lượng là rất nhiều, em đã chon cân
định lượng trong khâu định lượng bán thành phẩm nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi là
hướng tìm hiểu sâu về đề tài của mình.
1.1.1 Sản xuất thức ăn chăn nuôi
Thức ăn chăn nuôi là một nhân tố quan trọng trong phát triển chăn nuôi. Ở nước ta
hiện nay đã và đang sử dụng thức ăn chăn nuôi hỗn hợp công nghiệp bên cạnh sử dụng

thức ăn chăn nuôi truyền thống. Thức ăn công nghiệp cần sản xuất tại các nhà máy thức
ăn chăn nuôi quy mô lớn với hệ thống tự động hóa trong đó có hệ thống cân tự động
trong phối trộn nguyên liệu thức ăn. Việc áp dụng cân định lượng trong khâu sản xuất
giúp giảm lao động, nâng cao hiệu quả, giảm chi phí sản xuất hạ giá thành sản phẩm
chăn nuôi.
Thức ăn chăn nuôi gồm nhiều thành phần với tỷ lệ khác nhau vì vậy cân định lượng cần
đảm bảo tính chính xác và hiệu quả.

Page 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.1.2

Page 4

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ
2.1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỈ THỊ KHỐI LƯỢNG:

Thiết bị chỉ thị khối lượng (đầu cân) có nhiều loại, do nhiều hãng sản xuất khác

nhau. Tuỳ mỗi loại và yêu cầu cho từng công việc mà đầu cân có nhiều chức năng khác
nhau. Tuy nhiên các chức năng cơ bản của một đầu cân vẫn là lấy tín hiệu điện áp từ
loadcell, biến đổi A/D, xử lý và hiển thị khối lượng cân được ra đèn Led 7 đoạn hoặc
màn hình tinh thể lỏng, có thể truyền dữ liệu về máy tính hoặc ra máy in. Ngoài ra còn có
các chức năng như “Auto Zero”, “Tare”, “Clear”… Để thực hiện các chức năng như trên
với độ chính xác cao, đầu cân phải có một bộ nguồn chuẩn ổn định cấp cho loadcell và
A/D. Thông thường A/D sử dụng là loại 16 bits hoặc cao hơn sẽ cho độ phân giải là lớn
hơn một phần 65536 (216) và như vậy độ chính xác sẽ rất cao. Ngoài bộ vi xử lý đủ
mạnh, đầu cân nhất thiết phải có bộ nhớ để lưu trữ số liệu sau khi cân chỉnh.
Ngoài ra tuỳ theo yêu cầu của trạm cân mà có thể có thêm thiết bị hiển thị từ xa hay
không.
Sau đây giới thiệu hình ảnh một số đầu cân và thiết bị hiển thị từ xa trong thực tế:

Page 5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

Hình 2.1: Giới thiệu hình ảnh một số loại đầu cân có trong thực tế
2.1.1. Đặc điểm đầu cân BDI –9301:
- Điều chỉnh hoàn toàn dùng kỹ thuật số làm cho việc chỉnh điểm 0 và định bước cân
(span) trở nên dễ dàng. Không cần phải nạp và xoá trọng lượng đặt một cách liên tục.
- Có 16 hàm chức năng được điều chỉnh thông qua 16 phím nhấn. Có thể sử dụng cho
rất nhiều ứng dụng cân tĩnh cũng như cân động.
- Cho phép khởi động lại các giá trị mặc định tạo bởi nhà sản xuất khi có sự cố đối
với hoạt động bình thường.
- Chức năng kiểm tra hệ thống sẽ kiểm tra từng bộ phận của hệ thống để bảo đảm
hoạt động đúng.

- Hai chương trình chứa các giá trị như: Final Weight (SETPOINT), Upper Limit (HI),
Lower Limit (LO), Preliminary Weight (PRELIM) và tầm bù rơi tự do (FreeFall) có thể
được lưu trữ.
2.1.2. Giải thích cách chỉnh cân:
- Chỉnh độ phân giải: Khối lượng hiển thị lên màn hình thì dựa vào độ phân giải này.
Đây là khoảng thay đổi nhỏ nhất mà thiết bị có thể nhận biết được. Ví dụ nếu đặt độ phân
giải nhỏ nhất là 1 thì thiết bị sẽ hiển thị cách nhau 1 đơn vị như là 101, 102, 103.… Nếu
độ phân giải nhỏ nhất là 2 thì sẽ hiển thị 100, 102, 104… Có thể lựa chọn độ phân giải
này là 1, 2, 5, 10, 20 hay 50 và được giới hạn theo khối lượng tối đa được cho trong
catalogue của BDI-9301.
- Chỉnh Zero: Đây là cách chỉnh khi trên bàn không có vật cần cân. Thực hiện việc
này là để BDI-9301 biết được một giá trị cơ sở để so sánh với khối lượng thêm vào. Có
thể phải chỉnh Zero theo một chương trình thường xuyên để tránh ảnh hưởng của việc
thay đổi theo nhiệt độ hay các ảnh hưởng khác.
- Khối lượng tối đa: Đây là cách chỉnh khối lượng lớn nhất mà người sử dụng muốn
cân. Điều này phụ thuộc vào tải trọng của loadcell hay là những giới hạn khác mà người
dùng đặt. Độ phân giải sẽ phụ thuộc vào khối lượng lớn nhất này.
- Cân chỉnh bước cân (Span Calibration): Với việc chỉnh Zero nhằm mục đích đặt giá
trị ban đầu là không, cân chỉnh bước cân là xác định điểm giới hạn mà có thể cân được
(khối lượng lớn nhất). Điều này là để cho BDI-9301 biết hai đầu mút mà có thể cân được
chính xác. BDI-9301 sẽ tính toán giá trị cân được nếu khối lượng cần cân nằm trong hai
Page 6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

giới hạn này. Tuy nhiên, trong thực tế có thể dùng các khối lượng chuẩn để cân chỉnh cho
việc này mà không nhất thiết phải dùng khối lượng tối đa (nhưng khối lượng chuẩn càng

gần giới hạn lớn nhất thì cho kết quả càng chính xác).
- Sở dĩ cần cân chỉnh Zero là để A/D đọc giá trị sai lệch điện áp ban đầu khi không có
vật gì ở trên bàn cân. Chỉnh bước cân là cho A/D biết được giá trị điện áp ứng với một
khối lượng chuẩn đặt lên bàn cân. Từ đó, bộ xử lý sẽ lấy hiệu số hai giá trị điện áp này và
chia khối lượng chuẩn để ra một hệ số tương ứng cho mỗi đơn vị cân và lưu các giá trị
này vào bộ nhớ. Khi có khối lượng cần cân, bộ xử lý sẽ đọc giá trị điện áp và trừ đi điện
áp ở trạng thái Zero rối chia cho hệ số đã lưu trước đó sẽ ra được khối lượng cần cân.

Ngoài ra, khi cần chỉnh cho đầu cân nếu điện áp ngõ ra loadcell quá lớn lúc
chỉnh Zero thì thêm một điện trở giữa EXC+ và SIG- của Loadcell như hình 2.2a.
Hoặc ngược lại nếu tín hiệu ra của Loadcell quá nhỏ (lệch âm) khi cân chỉnh Zero
thì trong trường hợp này phải mắc thêm một điện trở phụ giữa EXC+ và SIG+ như
trong hình 2.2b.
Các điện trở mắc thêm này phải có giá trị điện trở lớn (thường là từ 50K đến 500K); có
chất lượng cao và có hệ số nhiệt thấp. Các lỗi khi cân chỉnh trên đây và một số lỗi khác sẽ được
báo lên màn hình và cách xử lý đã được hướng dẫn trong “Operation Manual” của BDI-9301.

Exc+

Exc+

Sig+

Sig+

Exc-

Exc-

Sig-

Sigb)

a)

Hình 2.2: Sơ đồ chỉnh điện áp đầu cân ngõ ra loadcell

2.2. GIỚI THIỆU VỀ LOADCELL
2.2.1. Lý thuyết về loadcell:

Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử dụng phổ biến là loadcell. Đây
là một kiểu cảm biến lực biến dạng. Lực chưa biết tác động vào một bộ phận đàn hồi,

Page 7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

lượng di động của bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ với lực chưa biết. Sau
đây là giới thiệu về loại cảm biến này.
Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán. Tấm điện trở là
một phương tiện để biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tương ứng trong điện
trở. Một mạch đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu được một tín hiệu điện tỉ lệ
với mức độ thay đổi của điện trở. Mạch thông dụng nhất sử dụng trong loadcell là cầu
Wheatstone.
- Nguyên lý:
Cầu Wheatstone là mạch được chọn dùng nhiều nhất cho việc đo những biến thiên
điện trở nhỏ (tối đa là 10%), chẳng hạn như việc dùng các miếng đo biến dạng. Phần lớn

các thiết bị đo đạc có sẵn trên thị trường đều không ít thì nhiều dùng phiên bản của cầu
Wheatstone đã được sàng lọc. Như vậy, việc tìm hiểu nguyên lý cơ bản của loại mạch
này là một điều cần thiết.

R1

R2
Em

Zm

R4

R3

V
+

-

Hình 2.3: Mạch cầu Wheatstone

Cho một mạch gồm bốn điện trở giống nhau R1, R2, R3, R4 tạo thành cầu
Wheatstone như trên hình trên. Đối với cầu Wheatstone này, bỏ qua những số hạng bậc
cao, hiệu thế đầu ra Em thông qua thiết bị đo với trở kháng Zm sẽ là:

Page 8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Em =

V
R
4(1 
)
Zm

[

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG
R1 R2 R3 R4



]
R1
R2
R3
R4

(V)

Với: - Ġ là biến đổi đơn vị của mỗi điện trở Ri
- R là điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R1, R2, R3, R4 (thường là 120
ohms, nhưng có thể là 350 ohms dành cho các bộ cảm biến).
- V là hiệu thế nguồn.
Điện thế nguồn có thể thuộc loại liên tục với điều kiện là dùng một nguồn năng
lượng cung cấp thật ổn định. Các thiết bị trên thị trường đôi khi lại dùng nguồn cung cấp
xoay chiều. Trong trường hợp đó phải tính đến việc sửa đổi mạch cơ bản để có thể giải

điều chế thành phần xoay chiều của tín hiệu.
Trong phần lớn các trường hợp, Zm rất lớn so với R (ví dụ như Volt kế số, bộ
khuếch đại với phần nối trực tiếp) nên biểu thức trên có thể viết lại là:
Em =

V R1 R2 R3 R4
[



]
4 R1
R2
R3
R4

(V)

Phương trình trên cho thấy là sự biến đổi đơn vị điện trở của hai điện trở đối mặt
nhau, ví dụ là R1 và R3, sẽ là cộng lại với nhau trong khi tác động của hai điện trở kề bên
nhau, ví dụ là R1 và R2, lại là trừ khử nhau. Đặc tính này của cầu Wheatstone thường
được dùng để bảo đảm tính ổn định nhiệt của các mạch miếng đo và cũng để dùng cho
các thiết kế đặc biệt .
2.2.2. Một số Loadcell thực tế:
Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (của Nhật),
Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques. Inc, Tedea – Huntleigh... Mỗi loại
loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo tải trọng chịu đựng, chịu lực kéo
hay nén. Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây ra của loadcell có màu sắc khác nhau.
Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ thuật khi mua từng loại
loadcell.

Trong thực tế còn có loại loadcell sử dụng kỹ thuật 6 dây cho ra 6 đầu dây. Sơ đồ
nối dây của loại loadcell này có thể có hai dạng như sau:

Page 9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

a. Dạng nối dây1
b.Dạng nối dây 2
Hình 2.4: Các dạng nối dây của loadcell
Như vậy, thực chất loadcell cho ra 6 dây nhưng bản chất vẫn là 4 dây vì ở cả hai cách nối ta tìm
hiểu ở trên thì các dây +veInput (Exc+) và +veSense (Sense+) là nối tắt, các dây -veInput (Exc-) và veSense (Sense-) là nối tắt.

Có nhiều kiểu hình dạng loadcell cho những ứng dụng khác nhau. Do đó cách kết
nối loadcell vào hệ thống cũng khác nhau trong từng trường hợp.
Thông số kỹ thuật của từng loại loadcell được cho trong catalogue của mỗi loadcell
và thường có các thông số như: tải trọng danh định, điện áp ra danh định (giá trị này có
thể là từ 2 miliVolt/Volt đến 3 miliVolt/Volt hoặc hơn tuỳ loại loadcell), tầm nhiệt độ
hoạt động, điện áp cung cấp, điện trở ngõ ra, mức độ chịu được quá tải... (Với giá trị điện
áp ra danh định là 2miliVolt/Volt thì với nguồn cung cấp là 10 Volt thì điện áp ra sẽ là 20
miliVolt ứng với khối lượng tối đa).
Tuỳ ứng dụng cụ thể mà cách chọn loại loadcell có thông số và hình dạng khác nhau.
Hình dạng loadcell có thể đặt cho nhà sản xuất theo yêu cầu ứng dụng riêng. Sau đây là
hình dạng của một số loại loadcell có trong thực tế.

Page 10

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU PLC S7-300

3.1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ KHẢ TRÌNH PLC:
3.1.1. Giới thiệu chung:
PLC là viết tắt của Programmable Logic Control là thiết bị điều khiển Logic lập
trình hay khả trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic
thông qua một ngôn ngữ lập trình.
Trong lĩnh vực tự động điều khiển, bộ điều khiển PLC là thiết bị có khả năng lập
trình được sử dụng rộng rãi. Kỹ thuật PLC được sử dụng từ những năm 60 cà được sử
dụng chủ yếu để điều khiển và tự động hoá quá trình công nghệ hoặc các quá trình sản
xuất trong công nghiệp. Đặc trưng của PLC là sử dụng vi mạch để xử lý thông tin, nó
cũng giống như con vi xử lý xong việc lập trình và tốc độ thuận tiện hơn, xử lí nhanh hơn
và dễ dàng thay đổi công nghệ, cải tạo dựa trên chương trình và phần mở rộng.
Các nối ghép logic cần thiết trong quá trình điều khiển xử lí bằng phần mềm do
người dùng lập nên và cài vào. Cùng với lí do này nên chúng ta giải quyết các bài toán tự
động hoá một cách dễ dàng, khác nhau nhưng cùng chung một bộ điều khiển và chỉ thay
đổi phần mềm tức là các phương trình khác nhau.
Các ưu thế của PLC trong tự động hoá:
- Thời gian lắp đặt công trình ngắn
- Dễ dàng thay đổi nhưng không tốn kém về mặt chính
- Có thể tính toán chính xác giá thành
- Cần ít thời gian làm quen
- Do phần mềm linh hoạt nên khi muốn mở rộng và cải tạo công nghệ thì dễ dàng
- Ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng
- Dễ bảo trì, các chỉ thị vào ra giúp xử lý sự cố dễ dàng và nhanh hơn

Page 11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

- Độ tin cậy cao, chuẩn hoá được phần cứng điều khiển
- Thích ứng với môi trường khắc nghiệt: nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động, tiếng ồn.
Đứng đầu về các hệ PLC hiện nay phải kể đến các công ty AltanBrellay của Mỹ,
công ty MitSubiShi, Omron của Nhật, Siemens của Đức, ABB của Thuỵ Sĩ, Schnider của
Pháp…
Cấu trúc chung của một hệ thống PLC được thể hiện trên sơ đồ hình 3.1.

Bus địa chỉ
Bộ
đệm

Bộ nhớ
chương
trình
EEPROM

Bus điều khiển

Bộ nhớ
chương
trình

Bộ
đệm
Bộ
đệm

Nguồn
pin

CPU
bộ vi
xử lý

Clock

Bộ
nhớ hệ
thống
ROM

Bộ
nhớ
Dữ
liêu

Bus địa chỉ
Bus hệ thống vào/ra
Mạch chốt
Mạch giao tiếp

Bộ đệm

Mạch cách ly
Mạch cách ly

Kênh ngõ vào

Kênh ngõ ra

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc bên trong PLC
Page 12

Khối
vào

Panel
lập trình


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

3.1.2. Bộ nguồn:
Bộ nguồn cung cấp điện cho PLC hoạt động, việc chọn bộ nguồn dựa trên dòng tiêu
thụ của điện áp một chiều (5 VDC hoặc 24 VDC). Dòng tiêu thụ của các phân tử PLC
phải nhỏ hơn dòng điện cấp của bộ nguồn để không bị quá tải.
3.1.3. CPU:
Thành phần cơ bản của PLC là khối vi xử lý CPU. Sản phẩm của mỗi hãng có đặc
trưng cho tính linh hoạt, tốc độ xử lý khác nhau. Về hình thức bên ngoài, các hệ CPU của
cùng một hãng có thể được phân biệt nhờ các đầu vào, ra và nguồn cung cấp.
Tốc độ xử lí của CPU là tốc độ xử lý từng bước lệnh của chương trình. PLC đòi hỏi

CPU phải có tốc độ xử lý nhanh để có thể mô phỏng các hiện tượng logic vật lý xảy ra
nhanh trong thế giới thực, CPU có tần số nhịp càng cao thì xử lí càng cao. Tuy nhiên tốc
độ cũng bị ảnh hưởng bởi cách lập trình cho PLC.
3.1.3.1. Module CPU
Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời
gian, bộ đếm, cổng truyền thông
(RS485)… và có thể còn có một vài cổng
vào ra số. Các cổng vào ra số có trên
module CPU được gọi là cổng vào ra
onboard.
PLC S7_300 có nhiều loại
module CPU khác nhau. Chúng được đặt
Hình 3.2: Module CPU
tên theo bộ vi xử lý có trong nó như
module
CPU312, module CPU314, module CPU315…
Những module cùng sử dụng 1 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 việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong
tên gọi bằng thêm cụm chữ IFM (Intergrated Function Module). Ví dụ như Module
CPU312 IFM, Module CPU314 IFM…
Ngoài ra còn có các loại module CPU với 2 cổng truyền thông, trong đó cổng truyền
thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. Các loại module
này phân biệt với các loại module khác bằng cụm từ DP (Distributed Port) như là module
CPU315-DP.
3.1.3.2. Module mở rộng:
Page 13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

Thiết bị điều khiển khả trình SIMATIC S7-300 được thiết kế theo kiểu module. Các
module này sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Việc xây dựng PLC theo cấu trúc
module rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mở rộng
hệ thống. Số các modul được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng ứng dụng nhưng tối
thiểu bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU, các module còn lại là
những module truyền và nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên ngoài như động cơ,
các đèn báo, các rơle, các van từ. Chúng được gọi chung là các module mở rộng.
Các module mở rộng chia thành 5 loại chính:
3.1.3.2.1. Module nguồn nuôi (PS - Power supply):
Có 3 loại: 2A, 5A, 10A.
3.1.3.2.2. Module xử lý vào/ra tín hiệu số (SM - Signal module):
Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:
- DI (Digital input): Module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở rộng
có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module.
- DO (Digital output): Module mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở rộng
có thể là 8, 16, 32 tuỳ từng loại module.
- DI/DO (Digital input/Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số... Số các
cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/8ra hoặc 16 vào/16 ra tuỳ từng loại module.
- AI (Analog input): Modulee mở rộng các cổng vào tương tự. Số các cổng vào
tương tự có thể là 2, 4, 8 tuỳ từng loại module.
- AO (Analog output): Modulee mở rộng các cổng ra tương tự. Số các cổng ra tương
tự có thể là 2, 4 tuỳ từng loại module.
- AI/AO (Analog input/Analog output): Modulee mở rộng các cổng vào/ra tương tự.
Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hay 4 vào/4 ra tuỳ từng loại module.
Các CPU của S7_300 chỉ xử lý được các tín hiệu số, vì vậy các tín hiệu analog đều
phải được chuyển đổi thành tín hiệu số. Cũng như các module số, người sử dụng cũng có
thể thiết lập các thông số cho các module analog.

3.1.3.2.3. Module ghép nối (IM - Interface module):
Module ghép nối nối các module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản
lý chung bởi 1 module CPU. Thông thường các module mở rộng được gắn liền với nhau
trên một thanh đỡ gọi là rack. Trên mỗi rack có nhiều nhất là 8 module mở rộng (không
kể module CPU, module nguồn nuôi). Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp
với nhiều nhất 4 rack và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM.

Page 14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

Các module ghép nối (IM) cho phép thiết lập hệ thống S7_300 theo nhiều cấu hình.
S7-300 cung cấp 3 loại module ghép nối sau:
- IM 360: Là module ghép nối có thể mở rộng thêm một tầng chứa 8 module trên đó
với khoảng cách tối đa là 10 m lấy nguồn từ
CPU.
- IM 361: Là module ghép nối có thể
mở rộng thêm ba tầng, với một tầng chứa 8
module với khoảng cách tối đa là 10 m đòi
hỏi cung cấp một nguồn 24 VDC cho mỗi
tầng.
- IM 365: Là module ghép nối có thể
mở rộng thêm một tầng chứa 8 module trên

Hình 3.3: Module ghép nối

đó với khoảng cách tối đa là 1m lấy nguồn từ CPU.

3.1.3.2.4. Module chức năng (FM - Function module):
Module có chức năng điều khiển riêng. Ví dụ như module PID, module điều khiển
động cơ bước…
3.1.3.2.5. Module truyền thông (CP - Communication module):
Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC
với máy tính.

Page 15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
PS

CPU

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG
IM

SM: SM: SM: SM:
DI DO AI
AO

M

FM

COIL

CP

VALE

Màn hình PC

Hình 3.4: Mô hình kết nối của SIMATIC S7-300
3.1.4. Bộ nhớ:
Dung lương bộ nhớ nói lên khả năng nhớ của PLC đo bằng đơn vị Kbyte nhưng
cũng có thể là số tối đa dòng lệnh có khi được viết chương trình.
- Bộ nhớ của S7 -300:
Bộ nhớ được chia làm ba vùng:
+ Vùng chương trình: là miền nhớ để lưu giữ các lệnh chương trình. Vùng này thuộc
kiểu non-volatile đọc ghi được. Vùng nhớ chương trình được chia thành 3 miền:
 OB (Organisation block): Miền chứa chương trình tổ chức
 FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến hình
thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó.
 FB (Function block): Miền chưa 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
phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB).
Page 16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

+ Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được phân chia
thành 7 miền khác nhau:









I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số
Q (Process image output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số
M: Miền biến cờ
T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (timer)
C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (counter)
PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O External input)
PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O External output)

+ Vùng dữ liệu: là miền để sử dụng để cất giữ các khối dữ liệu của chương trình bao
gồm kết quả của các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình bộ đệm
truyền thông. Một phần của bộ nhớ này thuộc kiểu đọc ghi được.
Vùng dữ liệu chia thành 2 loại:
 DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối. Kích thước
cũng như khối lượng do người sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán điều khiển.
Chương trình có thể truy nhập miền này theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW),
hoặc từ kép (DBD).
 L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình OB,
FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình
thức với những khối chương trình đã gọi nó. Nội dung của dữ liệu trong miền nhớ này sẽ
bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong khối OB, FC, FB.
- Tổ chức bộ nhớ CPU: là cách phân chia bộ nhớ cho các vùng nhớ khác nhau. Cấu trúc
bộ nhớ CPU của PLC S7-300 bao gồm:
+ Vùng nhớ chứa các thanh ghi
+ Vùng system memory
+ Vùng Load memory

+ Vùng Work memory
Kích thước các vùng nhớ này phụ thuộc vào chủng loại của từng module CPU.
Load memory: là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng (do người sử dụng viết) bao
gồm tất cả các khối chương trình ứng dụng OB, FC, FB, các khối chương trình trong thư
viện hệ thống được sử dụng (SFC, SFB) và các khối dữ liệu DB.

Page 17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

System memory: Là vùng nhớ chứa các bộ đệm vào/ra số (Q, I), các biến cờ (M), thanh
ghi T-Word, PV, T-bit của Timer, thanh ghi C-Word, PV, C-bit của Counter.
Work memory: Là vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương trình (OB,
FC, FB, SFC hoặc SFB) đang được CPU thực hiện và phần bộ nhớ cấp phát cho những
tham số hình thức để các khối chương trình này trao đổi tham trị với hệ điều hành và với
các khối chương trình khác (Local Block). Tại một thời điểm nhất định vùng Work
memory chỉ chứa một khối chương trình. Sau khi khối chương trình đó được thực hiện
xong thì hệ điều hành sẽ xoá nó khỏi Work memory và nạp vào đó khối chương trình kế
tiếp đến lược thực hiện.

Accumulator
ACCU1
ACCU2
Address register

Systerm memory
Bộ đệm ra số

Bộ đệm vào số
Vùng nhớ cờ
Timer
Couter

Q
I
M
T
C

AR1
AR2

Work memory

Data block register

 Logic block

DB (share)
DI

 Data block

Status word

Load memory

Status

 User program (EEPROM)
 User program (RAM)

Hình 3.5: Phân chia các vùng ô nhớ trong CPU

Page 18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

3.1.5. Vòng quét 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 đệm ảo Q
tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm
tra lỗi .
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, không phải vòng quét nào cũng thực
hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Mà tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình
được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu được truyền thông... trong vòng quét đó.
Truyền thông và
kiểm tra nội bộ

Chuyển dữ liệu
từ cổng vào tới I

VÒNG
QUÉT

Chuyển dữ liệu từ
cổng vào Q

Thực hiện
chương trình

Hình 3.6: Vòng quét chương trình

Như vậy, việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều
khiển tới 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, tính thời gian thực của chương trình càng cao.
Chương trình xử lí ngắt có thể xâm nhập vào bất kì giai đoạn nào của chu trình vòng
quét. Vì thế, thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện
trong vòng quét. Do đó, để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển,
tuyệt đối không nên viết chương trình xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụng
chế độ ngắt trong chương trình điều khiển.

Page 19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng
vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo. Việc truyền thông gữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong

các giai đoạn 1 và 3 do hệ điều hành CPU quản lý. Ở một số module CPU, khi gặp lệnh
vào/ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý
ngắt, để thực hiện lệnh trực tiếp với cổng vào/ra.
3.1.6. Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng:
Trong trạm PLC luôn có sự trao đổi dữ liệu giữa CPU với các module mở rộng thông
qua bus nội bộ. Ngay tại đầu vòng quét, các dữ liệu tại cổng vào của các module số (DI)
sẽ được CPU chuyển tới bộ đệm vào số (process image input table-I). Cuối mỗi vòng
quét, nội dung của bộ đệm ra (process image output table-Q) lại được CPU chuyển tới
cổng ra của các module ra số (DO). Việc thay đổi nội dung hai bộ đệm này được thực
hiện bởi chương trình ứng dụng. Nếu trong chương trình ứng dụng có nhiều lệnh đọc
cổng vào số thì cho dù giá trị logic thực có của các cổng vào này có thể bị thay đổi trong
quá trình thực hiện vòng quét, chương trình sẽ vẫn luôn đọc được cùng một giá trị từ I và
giá trị đó chính là giá trị của cổng vào có tại thời điểm đầu vòng quét. Cũng như vậy, nếu
chương trình ứng dụng nhiều lần thay đổi giá trị cho một cổng ra số thì do nó chỉ thay đối
nội dung bit nhớ tương ứng trong Q nên chỉ có giá trị thay đổi cuối cùng mới thực sự đưa
tới cổng ra vật lý của module DO.
Khác hẳn với việc đọc/ghi cổng số, việc truy nhập cổng vào/ra tương tự lại được
CPU thực hiện trực tiếp với module mở rộng (AI/AO). Như vậy mỗi lệnh đọc giá trị từ
địa chỉ thuộc vùng PI (peripheral input) sẽ thu được một giá trị đúng bằng giá trị thực có
ở cổng tại thời điểm thực hiện lệnh.
Tương tự khi thực hiện lệnh gửi một giá trị (số nguyên 16 bits) tới địa chỉ của vùng
PQ (peripheral output), giá trị đó sẽ đươc gửi ngay tới cổng ra tương tự của module.

Page 20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

Peripheral input

Peripheral output

PI (64K)

PQ (64K)

Module
DI

Process
image input
table (I)

0

:
127

Đọc/ghi
gián tiếp

:

Module
AI

256
:

Đọc trực tiếp

767
:

Process
imag output

0

:
127

Module
DO

table (Q)

Chương trình
ứng dụng Ghi trực tiếp
(user program)

:
256
:
767

Module
AO

:

Tuy nhiên miền địa chỉ PI và PQ lại được cung cấp nhiều hơn là số các cổng vào/ra
tương tự có thể có của một trạm. Điều này tạo khả năng kết nối các cổng vào/ra số với
những địa chỉ dôi ra đó trong PI/PQ giúp chương trình ứng dụng có thể truy nhập trực
tiếp các module DI/DO mở rộng để có được giá trị tức thời tại cổng mà không cần thông
qua bộ đệm I và Q.
3.1.7. Cấu trúc chương trình:
- Lập trình tuyến tính:
Kĩ thuật lập trình tuyến tính là phương pháp lập trình mà toàn bộ chương trình ứng
dụng sẽ chỉ nằm trong một khối OB1. Kĩ thuật này có ưu điểm là gọn, rất phù hợp với
những bài toán điều khiển đơn giản, ít nhiệm vụ.

Page 21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

Lệnh 1
Vòng quét

Lệnh 2

OB1

Lệnh cuối cùng

Hình 3.8: Lập trình tuyến tính.
- Lập trình có cấu trúc:
Chương trình được chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và các phần
này nằm trong những khối chương trình khác nhau. Loại hình cấu trúc này phù hợp với
những bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ và phức tạp. PLC S7-300 có 4 loại khối cơ bản:
+ Loại khối OB (Oganization block): Khối tổ chức và quản lý chương trình điều khiển.
Có nhiều loại khối OB với những chức năng khác nhau, chúng được phân biệt với nhau
bằng một số nguyên đi sau nhóm kí tự OB, ví dụ OB1, OB35, OB40, OB80,..Trong khi
khối OB1 được thực hiện đều đặn ở từng vòng quét trong giai đoạn thực hiện chương
trình (giai đoạn 2) thì các khối OB khác chỉ được thực hiện khi xuất hiện tín hiệu báo
ngắt tương ứng, nói cách khác chương trình viết trong khối OB này chính là chương trình
xử lý tín hiệu ngắt (event).
+ Loại khối FC (Program block): Khối chương trình với những chức năng riêng giống
như một chương trình con hoặc một thủ tục (chương trình con có biến hình thức). Một
chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FC và các khối FC này được phân biệt với
nhau bằng một số nguyên sau nhóm ký tự FC, chẳng hạn như FC1, FC2,…
+ Loại khối FB (Function block): Là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi một
lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác. Các dữ liệu này phải được tổ chức
thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data block. Một chương trình ứng dụng có thể có
nhiều khối FB và các khối FB này được phân biệt với nhau bằng một số nguyên sau
nhóm ký tự FB, chẳng hạn như FB1, FB2,…
+ Loại khối DB (Data block): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương
trình. Các tham số của khối do người dùng tự đặt. Một chương trình ứng dụng có thể có
nhiều khối DB và các khối DB này được phân biệt với nhau bằng một số nguyên sau
nhóm ký tự DB, chẳng hạn như DB 1, DB 2,…
Page 22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng các lệnh gọi khối, chuyển
khối. Xem những phần chương trình trong các khối như là chương trình con thì S7-300
cho phép gọi chương trình con lồng nhau, tức là từ chương trình con này gọi đến một
chương trình con khác và từ chương trình con này lại gọi tới chương trình con thứ 3... Số
các lệnh gọi lồng nhau phụ thuộc vào từng chủng loại module CPU mà ta sử dụng. Ví dụ
như đối với module CPU314 thì số lệnh gọi lồng nhau nhiều nhất có thể cho phép là 8.
Nếu số lần gọi lồng nhau vượt quá con số giới hạn cho phép, PLC sẽ chuyển sang chế độ
STOP và đặt cờ báo lỗi.

Hệ
điều
hành

FC1

FB2

OB1
FB5

FC3

Số các lệnh gọi lồng nhau nhiều nhất
cho phép tuỳ từng loại module CPU

Hình 3.9: Lập trình có cấu trúc

Page 23

FC7

FB9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

3.1.8. Bộ thời gian (Timer):
Bộ thời gian là bộ tạo thời gian trễ  mong muốn giữa tín hiệu logic đầu vào u(t) và
tín hiệu logic đầu ra y(t).
S7-300 có 5 loại Timer khác nhau. Thời gian trễ  mong muốn được khai báo với
Timer bằng 1 giá trị 16 bits trong đó 2 bits cao nhất không sử dụng, 2 bits cao kế tiếp là
độ phân giải của Timer, 12 bits thấp là 1 số nguyên BCD trong khoảng 0  999 được gọi
là PV (Preset Value).
Thời gian trễ  chính là tích:
 = Độ phân giải x PV
15 14

13

12

11

10

9

Không sử dụng

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Giá trị PV dưới dạng mã BCD
0  PV  999

Độ phân giải
0

0

10ms

0

1

100ms

1

0

1s

1

1

10s

Hình 3.10: Cấu hình giá trị thời gian trễ đặt
trước cần khai báo với timer

Thời gian có thể được khai báo dưới dạng bằng kiểu S5T
- Ví dụ:

S5T#3s

Trong đồ án sử dụng loại Timer SD là loại Timer trễ theo sườn lên không có nhớ (On
Delay Timer): Ngõ ra lên mức 1 khi ngõ vào EN=1 và giá trị CV (Current Value) = 0.
3.1.9. Bộ đếm (Counter):

Counter là bộ đếm có chức năng đếm sườn xung của tín hiệu đầu vào. Có tối đa 256
Counter được kí hiệu từ C0  C255. Có 2 loại:
- Bộ đếm tiến:
Page 24


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

Đếm số sườn lên của tín hiệu logic đầu và tức là đếm số lần thay đổi trạng thái từ 0
lên 1 của tín hiệu. Số sườn xung đếm được ghi vào thanh ghi 2 byte của bộ đếm. Nội
dung của thanh ghi này gọi là giá trị đếm tức thời luôn so sánh với giá trị đặt trước của bộ
đếm. nếu giá trị đếm tức thời bằng hoạc lớn hơn Giá trị đặt trước thì bộ đếm dặt giá trị
logic bằng 1 và một bit đặc biệt của nó, còn nhỏ hơn thì đặt giá trị logic 0.
Bộ đếm tiến đều có chân nối với tín hiệu điều khiển để đặt lại chế độ ban đầu. Bộ đếm
được Reset khi tín hiệu xoá này có giá trị logic1. Khi bộ đếm được Reset thì thanh ghi và
Bit đều có giá trị logic 0.
- Bộ đếm tiến lùi:
Bộ đếm tiến khi gặp sườn lên của xung vào cổng tiến, đếm lùi khi gặp sườn lên của
xung vào cổng lùi. Bộ đếm cũng có Reset như bộ đếm tiến. Nó có giá trị tức thời lớn hơn
hoặc bằng giá trị đặt trước khi thanh ghi 2 byte có giá trị logic 1 ngược lại có giá trị 0.
Ví dụ:

Hình 3.11: Bộ đếm tiến lùi

-CU: tín hiệu dếm lên (BOOL)
-CD: tín hiệu đếm (BOOL)
-S: tín hiệu đặt (BOOL), khi có sườn lên thì giá trị đặt được nạp cho CV
-PV: giá trị đặt (WORD)

-R : tín hiệu xoá (BOOL), khi có sườn lên thì giá trị CV được xoá về 0.
-Q: ngõ ra
-V: giá trị hiện tại của bộ đếm dạng Integer
-CV_BCD: giá trị hiện tại của bộ đếm dạng BCD
3.1.10. Truyền thông với thiết bị khác:
Page 25