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.
Page 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

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.

1.1.2

Page 4

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ


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
Page 6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

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 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
Page 7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

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 50KΩ đến
500KΩ); 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
Exc+

Exc+ BDI-9301.
trong “Operation Manual” của

Sig+

Sig+

Exc-

Exc-

Sig-

Siga)

b)

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

Page 8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

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, 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.

Page 9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

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:
V

Em = 4(1 + R )

[

∆R1 ∆R 2 ∆R3 ∆R 4
−
+
−
]
R1
R2
R3
R4

(V)

Zm

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:

Page 10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Em =

V ∆R1 ∆R 2 ∆R3 ∆R 4
[
−
+
−
]
4 R1
R2
R3
R4

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

(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:

a. Dạng nối dây1
Page 11

b.Dạng nối dây 2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

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 12


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
Page 13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

- 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
- 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.
Bộ
Đứng
đệm

Bus địa chỉ

đầu về các hệ PLC hiện nay phải kể đến các công ty AltanBrellay của
Bus điều khiển

Mỹ, công ty MitSubiShi, Omron của Nhật, Siemens của Đức, ABB của Thuỵ Sĩ,
Schnider của Pháp…
Bộ nhớ
chương
trình
EEPROM

Bộ

Bộ

thống
ROM

Dữ
liêu
RAM

Cấu trúc chung của một hệ
thống PLC đượcnhớ

thểhệhiện trên
CPU
nhớ sơ đồ hình 3.1.
Bộ nhớ
chương
trình
EEPROM

tuỳ chọn

Bộ
đệm
Bộ
đệm

Nguồn
pin

bộ vi
xử lý

Clock

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

Bộ đệm
Mạch cách ly

Mạch cách ly

Page 14

Khối
vào
ra

Kênh ngõ vào

Kênh ngõ ra

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc bên trong PLC

Panel
lập trình


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Page 15

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG


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
tên theo bộ vi xử lý có trong nó như module
CPU312, module CPU314, module CPU315…
Page 16

Hình 3.2: Module CPU


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

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:
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
Page 17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

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.
Các module ghép nối (IM) cho phép thiết lập hệ thống S7_300 theo nhiều cấu
Page 18

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

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
Hình 3.3: Module ghép nối

trên
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 19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
PS

CPU

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG
IM

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

Màn hình PC

M

FM

COIL

CP

VALE

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:
Page 20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

• 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).
+ 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
Page 21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

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.
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.
Page 22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Accumulator
ACCU1
ACCU2
Address register

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

Systerm memory
Bộ đệm ra số
Bộ đệm vào số
Vùng nhớ cờ
Timer
Couter

AR1
AR2

Work memory

Data block register

• Logic block

DB (share)
DI (instance)

• Data block

Status word

• Local block, Stack
Load memory

Status

• User program (EEPROM)
• User program (RAM)

Hình 3.5: Phân chia các vùng ô nhớ trong CPU

3.1.5. Vòng quét chương trình:
Page 23

Q
I
M
T
C


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

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
Page 24


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

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.
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 tableI). 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
Page 25