Điều khiển hệ thống đèn giao thông tại ngã tữ sử dụng PLC s7 200

Mục lục
Mở đầu
Chương 1 Giới thiệu về đèn giao thông
1.1 Định nghĩa và phân loại đèn giao thông
1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
1.3 Quy trình điều khiển đèn giao thông
1.4 Làn xanh
1.5 Bài toán điều khiển đèn
1.6 Thời gian thực
Chương 2 Công cụ thực hiện bài toán
2.1 Kỹ thuật số và logic cơ bản
2.2 Tổng quan về PLC
2.3 Hệ thống điều khiển logic khả trình PLC S7-200
2.4 Phần mềm Step 7 Micro / Win
Chương 3 : Mô hình hệ thống điều khiển đèn giao thông
3.1 Thiết bị phần cứng
3.2 Bảng kết nối vào ra và sơ đồ đấu dây
3.3 Sơ đồ thuật toán và quá trình hoạt động
3.4 Chương trình dạng Ladder và STL
3.5 Giới thiệu về mô hình và hướng phát triển của đồ án
Kết luận
Tài liệu tham khảo

Page 1 of 56


Mở đầu
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền kinh tế là tốc độ ra tăng
không ngừng về các loại phương tiện giao thông. Sự phát triển nhanh chóng của các
phương tiện giao thông đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thông xảy ra rất thường
xuyên .Vấn đề đặt ra ở đây là làm sao để đảm bảo giao thông thông suốt và sử dụng đèn

điều khiển giao thông ở những ngã tư ,những nơi giao nhau của các làn đường là một giải
pháp .
Để viết chương trình điều khiển đèn giao thông ta có thể viết trên nhiều hệ ngôn
ngữ khác nhau . Nhưng với những ưu điểm vượt trội của PLC S7- 200 như : giá thành hạ
, dễ thi công , sửa chữa , chất lượng làm việc ổn định linh hoạt ….nên ở đây tôi đã chọn
hệ thống điều khiển có thể lập trình được PLC (Programmble Logic Control) với ngôn
ngữ lập trình của S7 – 200 để viết chương trình điều khiển đèn giao thông .
Xuất phát từ những nhu cầu thực tế và những ham muốn hiểu biết về về lĩnh vực
này , tôi đã chọn đồ án: ‘’ Điều khiển hệ thống đèn giao thông tại ngã tữ sử dụng PLC
S7-200 ‘’ . Mục đích của đồ án này là tạo ra một mô hình mang tính thực tế sử dụng khả
năng của PLC S7 – 200 và quan trọng nhất là từng bước phát triển những ứng dụng của
PLC trong cuộc sống ( Điều khiển đèn giao thông , tự động hoá trong mọi lĩnh vực của
ngành sản xuất . . .)

Page 2 of 56


Chương 1 Giới thiệu về đèn giao thông
1.1 Định nghĩa và phân loại đèn giao thông
1.1.1 Định nghĩa
Đèn giao thông (còn được gọi tên khác là đèn tín hiệu giao thông hay đèn điều
khiển giao thông) là một thiết bị được dùng để điều khiển giao thông ở những giao lộ có
lượng phương tiện lưu thông lớn (thường là ngã ba, ngã tư đông xe qua lại). Đây là một
thiết bị quan trọng không những an toàn cho các phương tiện mà còn giúp giảm ùn tắc
giao thông vào giờ cao điểm. Nó được lắp ở tâm giao lộ hoặc trên vỉa hè. Đèn tín hiệu có
thể hoạt động tự động hay cảnh sát giao thông điều khiển.

Hình 1 . Đèn giao thông
1.1.2 Phân loại
Dành cho xe cộ

Loại 3 màu có 3 kiểu: xanh, vàng, đỏ. Tác dụng như sau:
Đỏ: Khi gặp đèn đỏ, tất cả các phương tiện đang lưu thông phải dừng lại ở phía trước
vạch dừng, người đi bộ được sang đường.
Xanh: Khi gặp đèn xanh, tất cả các phương tiện được phép đi và phải chú ý. Người đi bộ
không được sang đường.
Vàng: Đèn vàng là dấu hiệu của sự chuyển đổi tín hiệu. Khi đèn vàng bật sau đèn xanh
nghĩa là chuẩn bị dừng, khi đó các phương tiện phải dừng lại trước vạch dừng vì tiếp đó
đèn đỏ sẽ sáng, trường hợp đã vượt quá vạch dừng thì phải nhanh chóng cho xe rời khỏi
Page 3 of 56


giao lộ. Nếu đèn vàng bật sau đèn đỏ có nghĩa là chuẩn bị đi, người lái xe có thể đi trước
vì tiếp đó đèn xanh sẽ sáng. Khi đèn vàng nhấp nháy ở tất cả các hướng nghĩa là được đi
nhưng người lái xe vẫn phải chú ý.
Ba loại đèn này lắp theo thứ tự: Nếu lắp chiều dọc thì đèn đỏ ở trên, vàng ở giữa,
xanh ở dưới. Nếu lắp chiều ngang thì theo thứ tự đỏ ở bên trái, vàng ở giữa, xanh ở bên
phải hay ngược lại.

Dành cho người đi bộ
Loại 2 màu có hai màu xanh, đỏ. Tác dụng như sau:
Đỏ: Đèn đỏ có nghĩa là "không được sang đường". Nó có hình ảnh người màu đỏ đang
đứng yên hoặc chữ "dừng lại". Khi gặp đèn đỏ, người đi bộ phải đứng yên trên vỉa hè.
Khi người đỏ nhấp nháy nghĩa là sắp được sang đường, người đi bộ phải chuẩn bị sang
phía bên kia đường.
Xanh: Đèn xanh có nghĩa là "được phép sang đường". Nó có hình ảnh người màu xanh
đang bước đi hoặc chữ "sang đường". Khi gặp đèn xanh, người đi bộ được phép sang
đường. Khi đèn xanh nhấp nháy, người đi bộ phải khẩn trương sang nốt quãng đường còn
lại.
Loại đèn này lắp theo thứ tự: Nếu lắp chiều dọc thì đèn đỏ ở trên, đèn xanh ở dưới.
Nếu lắp chiều ngang thì đèn đỏ ở bên trái, đèn xanh ở bên phải hoặc ngược lại. Loại này

đôi khi được lắp kèm với đèn đếm lùi để người đi bộ có khả năng ước lượng thời gian
sang đường là bao lâu .

Đèn đếm lùi
Đèn đếm lùi là loại đèn lắp đặt bổ sung bên cạnh đèn tín hiệu chính. Đèn đếm lùi
được hiển thị bằng một con số đếm ngược với những màu sắc khác nhau. Khi đèn đếm
đến "0" là lập tức chuyển màu đèn chính.

Page 4 of 56


1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
1.2.1 Cấu tạo

Hình 2 Mô hình đèn giao thông

Hệ thống đèn giao thông hay là đèn điều khiển giao thông gồm hai cột đèn chính
được lắp đặt tại hai đầu của hai làn đường khác nhau ở ngã tư. Mỗi một cột đèn gồm 6
đèn đó là 3 đèn chính gồm: đèn xanh, đèn đỏ và đèn đỏ; 2 đèn phụ là 2 đèn dùng điều
khiển làn đường dành cho người đi bộ: đèn xanh người đi bộ và đèn đỏ người đi bộ .
1.2.2 Nguyên tắc hoạt động
Đèn giao thông thường hoạt động cả ngày, đến 0 giờ (12 giờ đêm) thì chuyển sang
trạng thái nháy vàng hoặc ngừng hoạt động. Khi nháy vàng, xe cộ được đi và phải chú ý,
người đi bộ được phép sang đường. Đến 6 giờ sáng ngày hôm sau đèn lại hoạt động bình
thường trở lại. Đôi khi ở một vài ngã tư đông đúc, đèn tín hiệu có thể hoạt động 24/24 mà
không nháy vàng. Khi hoạt động, đèn thường sáng màu xanh, sau đó đến vàng và đỏ. Sau
một thời gian hoạt động, đèn lại chuyển xuống màu xanh. Đôi khi ở một số giao động,
đèn vàng bật sau đèn đỏ.
Page 5 of 56

1.3 Quy trình điêu khiển đèn giao thông
Đèn giao thông phải bật từng màu riêng biệt, đèn này tắt mới được bật đèn kia lên,
không được bật nhiều màu cùng một lúc. Giữa 2 chiều đường, khi chiều A bật đèn đỏ thì
lập tức chiều B phải bật ngay đèn xanh và ngược lại. Khi chuyển từ xanh-đỏ và đỏ-xanh
bắt buộc phải bật qua màu vàng, vì màu vàng đệm giữa 2 màu xanh đỏ. Khi bật đèn vàng
thì phải bật sáng ở cả 2 chiều đường A và B
1.4 Làn xanh
Khái niệm làn xanh được đề cập đến ở đây chính là làm thế nào để phương tiện
tham gia giao thông có thể gặp hai đèn xanh liên tiếp ở hai ngã tư liền nhau. Muốn được
như vậy chúng ta phải làm sao cho chu kỳ của đèn ở ngã tư tiếp theo phù hợp với tốc độ
của phương tiện và khoảng cách giữa hai ngã tư. Và giải pháp tôi đề cập ở đây là ở ngã tư
thứ hai ta lắp đặt một Timer có tác dụng tạo thời gian trễ của chu kỳ đèn thứ hai so với
đèn thứ nhất phù hợp. “Làn xanh” giúp cho người tham gia giao thông lưu thông trên
đường với tốc độ phù hợp được nhanh chóng và thuân tiện hơn . Đây là mô hình phát
triển trong tương lai . Bài toán đèn giao thông trong đồ án này chưa đề cập đến ‘’ làn
xanh ‘’ mà chỉ là chương trình cho điều khiển cho một ngã tư đơn thuần .

Page 6 of 56


1.5 Bài toán điều khiển đèn
Lập trình điều khiển đèn giao thông ở ngã tư gồm 2 đoạn đường khác nhau ở 2 chế
độ theo thời gian :
Từ 5h đến 23h hàng ngày : Hệ thống đèn hoạt động tự động với chu kỳ 60s theo sơ đồ :

Thời gian đèn Xanh , Đỏ , Vàng lần lượt là 27s , 30s , 3s .

Từ 23h đến 5h sáng : Hệ thống đèn vàng nhấp nháy với chu kỳ 2s :

Page 7 of 56


1.6 Thời gian thực
Khái niệm thời gian thực ở đây được dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà con
người đang sử dụng, tình bằng giây, phút, giờ .Trong yêu cầu bài toán đặt ra, thời gian có
ý nghĩa to lớn , nó quyết định khi nào thì chế độ bình thường chạy , và khi nào thì chế độ
ban đêm chạy . Thời gian chạy trong bài toán chính là thời gian sinh hoạt của con người .
Chính vì vậy , sử dụng thời gian thực không những điều khiển hệ thống vận hành một
cách hợp lý mà còn thể hiện sự thông minh của máy móc .

Page 8 of 56


Chương 2 Công cụ thực hiện bài toán
Dựa trên nền tảng toán học là đại số boole , việc giải quyết bài toán đặt ra là
dùng ngôn ngữ lập trình để tạo ra chương trình điều khiển hệ thống đèn theo thời gian
thực và nạp vào thiết bị có khả năng hiểu và thực hiện chương trình đó . Trong chương
này tôi sẽ trình bày về “Kỹ thuật số và logic cơ bản” , dùng phần mềm “Step7
Micro/Win” để viết chương trình , nạp vào “PLC S7-200” để thực hiện .

2.1 Kỹ thuật số và logic cơ bản
2.1.1 Biến và hàm số 2 giá trị
Biến hai giá trị, hay còn gọi biến Boole là loại hàm số mà miền giá trị của nó chỉ
có hai phần tử. Ta sẽ ký hiệu chúng bằng những chữ nhỏ in nghiêng như x, y, u, v,… và
phần tử của chúng là 0 và 1.
Ví dụ : Công tắt là một biến Boole với 2 giá trị: đóng (ký hiệu là 1) và mở (ký hiệu
là 0).
Đèn hiệu cũng là một biến Boole với hai trạng thái: Sáng (ký hiệu là 1) và tắt (ký
hiệu là 0).

Hai biến Boole được gọi là độc lập nhau nếu sự thay đổi giá trị của biến số này
không ảnh hưởng đến giá trị của biến số kia. Ví dụ 2 công tắt trong hình 3.1 là 2 biến
Boole độc lập với nhau.

Hình 3 Sơ đồ công tắc đèn
Page 9 of 56


Ngược lại, nếu giá trị của một biến số y phụ thuộc vào giá trị của biến số x thì
biến y được gọi là biến phụ thuộc của biến x . Ví dụ trong hình 3.1 thì đèn là 2 biến phụ
thuộc vào biến công tắc. Đèn sẽ sáng nếu cả 2 biến công tắc có giá trị 1 và sẽ tắt nếu một
trong hai biến có giá trị 0.
Hàm hai trị là mô hình toán học mô tả sự phụ thuộc của một biến Boole vào các
biến Boole khác. Chẳng hạn như để biểu diễn sự phụ thuộc của đèn, ký hiệu là z, vào 2
biến công tắc, ký hiệu là x và y, ta viết
z = f(x,y)
Một cách tổng quát hàm hai trị mô tả sự phụ thuộc của biến số y vào n biến x1,
x2,…, xn có dạng
y = f(x1, x2, …, xn).
Việc mô tả sự phụ thuộc của một biến Boole này vào các biến Boole khác thành
hàm hai trị dựa vào ba phép tính cơ bản. Đó là phép tính và (ký hiệu là ^), hoặc (ký hiệu
là v), phủ định (ký hiệu là ) được định nghĩa như sau:

Ví dụ, hàm f(x,y) biểu diễn biến đèn z phụ thuộc vào hai biến công tắc x, y sẽ là:
z = f(x,y) = x^y = x.y
2.1.2 Tính chất
x^1 = 1^x = x với x thuộc B ->1 là phần tử đơn vị của phép toán ^
xv0 = 0vx = x với x thuộc B ->0 là phần tử đơn vị của phép toán v
xvy = yvx

( Tính chất giao hoán )
Page 10 of 56


xv(y^z) = (xvy)^z (Tính chất kết hợp )
2.1.3 Xác định công thức từ bảng chân lý
Ta sẽ xét bài toán ngược là tìm công thức biểu diễn hàm f(x) từ bảng giá trị chân
lý đã biết của hàm đó. Công việc này là cần thiết vì trong thực tế nhiều bài toán tổng hợp
bộ điều khiển được bắt đầu từ bảng chân lý.
Trước hết hãy làm quen với hai khái niệm mới là biểu thức nguyên tố tổng và biểu thức
nguyên tố tích nếu trong T(x):
Có mặt tất cả các biến số xk, k=1, 2,…, n và mỗi biến chỉ xuất hiện một lần, Chỉ
cấu thành bởi hai phép tính ^, hoặc v, .
Ví dụ:
T1(x1, x2, x3) = x1.x2.x3

(tạo bởi 2 phép toán ^, ),

T2(x1, x2, x3) = x1 v x2 v x3 (tạo bởi 2 phép toán), )
Là các biểu thức nguyên tố.
Biểu thức nguyên tố với 2 phép tính ^, được gọi là biểu thức nguyên tố tích còn
biểu thức nguyên tố với 2 phép tính v, gọi là biểu thức nguyên tố tổng.
Trong ví dụ trên T1 là biểu thức nguyên tố tích còn T2 gọi là biểu thức nguyên tố
tổng.
Để tiện cho việc trình bày ta quy ước:

x-k = xk0 và xk = xk1
Từ định nghĩa ta thấy các biểu thức nguyên tố có các đặc điểm:
Biểu thức nguyên tố tích TN(x) có giá trị 1 khi và chỉ khi tất cả các thừa số cùng
có giá trị 1. Như vậy nếu xk xuất hiện trong biểu thức dạng phủ định (qk=0) thì xk phải

có giá trị 0 và ngược lại nếu qk =1 thì xk phải có giá trị 1.
Biểu thức nguyên tố tổng TC(x) có giá trị 0 khi và chỉ khi tất cả các thương số
cùng có giá trị 0. Như vậy nếu xk xuất hiện trong biểu thức dạng phủ định (qk=0) thì xk
phải có giá trị 1 và ngược lại nếu qk =1 thì xk phải có giá trị 0.
Bây giờ ta xác định biểu thức hàm hai trị từ bảng chân lý của nó.

Page 11 of 56


Xác định nhờ biểu thức nguyên tố tích
Biểu thức hàm hai trị f(x) sẽ tương đương với kết quả phép HOẶC của tất cả các biểu
thức nguyên tố tích của các hàng có giá trị 1 trong bảng chân lý.

Xác định nhờ biểu thức nguyên tố tổng
Biểu thức hàm hai trị f(x) sẽ tương đương với kết quả phép AND của tất cả các
biểu thức nguyên tố tổng của các hàng có giá trị 0 trong bảng chân lý. Ta sẽ minh hoạ
nguyên tắt bằng ví dụ trên.

Page 12 of 56


2.1.4 Biểu diễn số nguyên dương
Một số nguyên dương uk bất kỳ, trong hệ cơ số 10 bao giờ cũng được biểu diễn
đầy đủ bằng dãy các con số nguyên từ 0 đến 9. Ví dụ uk = 259 được biểu diễn bằng 3 con
số: 2, 5 và 9 và cách biểu diễn đó được hiểu là
Uk = 2.102+ 5.101 + 9.100
Một cách tổng quát khi biểu diễn trong hệ cơ số 10 uk có dạng
Uk = an .10n + an-1 .10n-1 +…+ a1 .101 + a0 .100 (3.1) với 0<=ai<=9
Như vậy việc biểu diễn uk trong hệ cơ số 10 là sự biến đổi uk thành tập hữu hạn
n+1 số nguyên ai, i=0, 1, …, n thoả 0<=ai <=9.

Số các giá trị mà ai có được do hệ cơ số biểu diễn uk quyết định. Trong trường
hợp này uk được biểu diễn trong hệ cơ số 10 nên ai có 10 giá trị.

Biểu diễn trong hệ cơ số 2
Cách biểu diễn uk trong hệ cơ số 10 chưa phù hợp với nguyên tắc mạch điện của
bộ điều khiển số vì uk có các phần tử đa trị 0<=ai<=9. Ta biến đổi biểu thức (3.1) về
dạng sau
Uk = xn .2n + xn-1 .2n-1+…+ x1 .21+ x0 .20 với ai =0,1

(3.2)

Với việc thay đổi này các tham số xi, i=0,1,…,n sẽ trở thành những đại lượng hai
trị 0 hoặc 1. Nếu sử dụng vector hàng để biểu diễn ta sẽ có
Uk →
Xn

Xn-1

…

X1

X0

Ta sẽ đi đến dạng biểu diễn thông dụng bằng mạch điện cho tín hiệu số. Mỗi
ô vuông trong cách biểu diễn trên gọi là một bit và mỗi bit là một biến hai trị.
Số các bit của vector x quyết định miền giá trị cho uk. Với n+1 bit trong (3.2)thì
miền giá trị của uk sẽ là tập các số nguyên dương trong khỏang 0<=uk<=2n+1-1
Page 13 of 56

Một dãy 8 bit được gọi là 1 byte. Hai byte gọi là 1 từ (word) và 2 từ gọi là từkép
(double word). Trong kỹ thuật PLC nói riêng và điều khiển số nói chung ngườita thường
biểu diễn uk bằng một byte, 1 từ hoặc 1 từ kép.
Biểu diễn uk=205 thành một byte:
1

1

0

0

1

1

0

1

Một từ :
0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

1

0

1

Cách biểu diễn trong hệ cơ số 2 như vậy không ảnh hưởng tới thói quen tính toán
của ta trong hệ thập phân như cộng trư. Tuy nhiên vẫn phải để ý rằng do xi chỉ bằng 0
hoặc 1 nên khi cộng có tổng lớn hơn 1 ta phải viết xi = 0 và nhớ 1 sang hàng sau. Ví dụ
khi cộng 53 và 27 trong hệ cơ số 2 sẽ có :

Giống như cách biểu diễn uk trong hệ cơ số 10 và 2, trong hệ cơ số 16, số nguyên

uk có dạng
Uk = hn .16n + hn-1 .16n-1+…+ h1 .161+ h0 .160 với 0<=hi <=15(3.3)
và tham số hi là những biến 16 trị. Các số của hi ký hiệu là
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F
trong đó các ký tự khi chuyển sang hệ thập phân sẽ tương đương với
A=10, B=11, C=12, D=13, E=14, F=15

Page 14 of 56


Để bộ điều khiển số hiểu được dạng biểu diễn của uk, người ta đã chuyển các
tham số hi sang hệ cơ số 2. Do mỗi tham số có 16 giá trị nên người ta cũng chỉ cần 4 bit
là đủ để biểu diễn chúng.
Một mảng 4 bit có tên gọi là một Nipple
Ví dụ, số nguyên dương uk = 7723 trong hệ cơ số 10, khi chuyển sang cơ số 16 sẽ
là 1E2B vì 7723 = 1.163+14.162+2.16+11
1

E

2

B

Mã BCD của số nguyên dương
Ta đã biết mã Hexadecimal là kiểu sử dụng biến hai trị để thể hiện các chữ số hi,
khi uk được biểu diễn trong hệ cơ số 16. Hoàn toàn tương tự, mã BCD là dạng dùng biến
hai trị thể hiện những chữ số 0Uk = an 10n+ an-110n-1 +…+ a1101+ a0 100 với ai thuộc {0,9}(3.3)
Ví dụ. Uk = 259 được biểu diễn nhờ 3 con số 2, 5 và 9

Chuyển đổi số: Thập phân ↔ Nhị phân
VD: Chuyển số nhị phân 11011001 thành số thập phân
Uk = 1.27+ 1.26 + 0.25+ 1.24+ 1.23 + 0.22 + 0.21+ 1.20
128 + 64 + 0 + 16 + 8 + 0 + 0 + 1 = 217
VD: Chuyển số thập phân 217 thành số nhị phân
217:2 =108

dư 1

108:2 =54

dư 0

54:2

=27

dư 0

27:2

=13

dư 1

13:2

=6

dư 1

6:2

=3

dư 0

3:2

=1

dư 1

=> uk = 11011001
Page 15 of 56


BCD ↔ Nhị phân
VD: Chuyển số Nhị phân 0010 0111 0101 thành số BCD
0010 = 2
0111 = 0 + 4 + 2 + 1 = 7
0101 = 0 + 4 + 0 + 1 = 5
→ uk = 275

VD: Chuyển số BCD 275 thành số Nhị phân
2 = 0010
7 = 4+2+1 = 0111
5 = 4+1 = 0101
→ uk = 0010 0111 0101

Page 16 of 56


2.2 Tổng quan về PLC
Trong công nghiệp sản xuất , để điều khiển một dây chuyền , một thiết bị máy
móc công nghiệp … người ta thực hiện kết nối các linh kiện điều khiển rời (rơle,
timer,contactor …) lại với nhau tuỳ theo mức độ yêu cầu thành một hệ thống điện điều
khiển. Công việc này khá phức tạp trong thi công, sửa chữa bảo trì do đó giá thành cao.
Khó khăn nhất là khi cần thay đổi một hoạt động nào đó . Một hệ thống điều khiển ưu
việt mà chúng ta phải chọn được điều khiển cho một máy sản xuất cần phải hội đủ các
yêu cầu sau: giá thành hạ, dễ thi công, sửa chữa, chất lượng làm việc ổn định linh hoạt …
Từ đó hệ thống điều khiển có thể lập trình được PLC (Programable Logic Control) ra đời
đã giải quyết được vấn đề trên.
Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC: Programmable Logic Control) là loại
thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ
lập trình, thay cho việc thể hiện thuật toán đó bằng mạch số.

Page 17 of 56


Quá trình thực thi của PLC bao gồm 3 giai đoạn: giám sát các đầu vào, tính toán
trên cơ sở chương trình của nó và điều khiển các đầu ra để tự động hóa các quá trình hay
công cụ.
Tất cả các hệ thống PLC đều gồm có các thành phần cơ bản cần thiết để thao tác với
các dữ liệu vào, xử lý dữ liệu và điều khiển đầu ra. Các khối cơ bản của một PLC bao
gồm bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ, bộ giao tiếp đầu vào và bộ giao tiếp đầu ra.
Ngoài ra, PLC có thể tích hợp các khối nguồn, xung đồng hồ và giao tiếp truyền thông để
nạp chương trình, giám sát trạng thái của PLC hay nối mạng các PLC với nhau. Đầu vào
của PLC có thể đưa vào các tín hiệu số hay tương tự từ các thiết bị khác nhau (cảm biến)

và biến đổi thành tín hiệu logic để CPU sử dụng. Bộ xử lý trung tâm CPU tính toán và
thực thi các phép tính điều khiển dựa trên các lệnh điều khiển trong bộ nhớ. Bộ giao tiếp
đầu ra biến đổi các lệnh điều khiển từ CPU thành tín hiệu số hay tương tự để có thể dùng
điều khiển các thiết bị chấp hành khác nhau (actuator).
Một thiết bị lập trình được dùng để nhập các lệnh mong muốn, những lệnh này
quyết định PLC sẽ làm gì khi tác động các đầu vào cụ thể. Một thiết bị giao tiếp (operator
interface) cho phép thông tin quá trình được hiển thị và để nhập các thông số điều khiển
mới.
Bộ nhớ của PLC nói chung được chia thành 3 phần: bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ
liệu và vùng nhớ lưu các thông số cấu hình hệ thống.
Bộ nhớ chương trình lưu trữ các lệnh sơ đồ lập trình LAD hay STL. Vùng nhớ này
sẽ điều khiển cách thức sử dụng vùng nhớ dữ liệu và các I/O. Các lệnh LAD hay STL
được viết bằng các thiết bị lập trình (PC) và được nạp (tải) vào vùng nhớ chương trình
của PLC.
Bộ nhớ dữ liệu được dùng như một vùng làm việc bao gồm vùng nhớ cho các phép
tính,vùng lưu trữ tạm thời cho các kết quả tạm và các hằng số. Vùng nhớ dữ liệu bao gồm
cácvùng nhớ cho các thiết bị như: vùng nhớ timer (T) (word và bit), counter (C) (word
vàbit), bộ đếm tốc độ cao (HC), và vùng nhớ đầu vào (I), vùngnhớ đầu ra (Q), đầu vào

Page 18 of 56


tương tự (AI), đầu ra tương tự (AQ), vùng nhớ biến(V),vùng nhớ bên trong (M), vùng
nhớ đặc biệt (SM) ,…
Bộ nhớ thông số gồm các ô nhớ lưu trữ các thông số cài đặt, mật khẩu, địa chỉ thiết
bị điều khiển và các thông tin về các không gian nhớ có thể sử dụng
PLC hoạt động theo một cách thức đơn giản bằng việc lặp lại quá trình sau. Dữ
liệu vào từ bên ngoài được chuyển đổi qua bộ giao tiếp đầu vào thành dạng mà CPU có
thể dùng. CPU tính toán dựa trên các dữ liệu vào theo chương trình người dùng được lưu
trữ trong bộ nhớ. Các kết quả của quá trình tính toán này được đưa tới bộ giao tiếp đầu ra

để chuyển đổi thành dạng mà các thiết bị kết nối với PLC có thể sử dụng.
Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển dùng PLC
PLC được nhiều hãng chế tạo, và mỗi hãng có nhiều họ khác nhau, và có nhiều
phiên bản (version) trong mỗi họ, chúng khác nhau về tính năng và giá thành, phù hợp
với mức độ bài toán đơn giản hay phức tạp. Ngoài ra còn có các bộ ghép nối mở rộng cho
phép liên kết nhiều bộ PLC nhỏ (thành mạng PLC) để thực hiện các chức năng phức tạp,
hay giao tiếp với máy tính để tạo thành một mạng tích hợp, thực hiện việc theo dõi, kiểm
tra, điều khiển một quá trình công nghệ phức tạp hay toàn bộ một phân xưởng sản xuất.
Mặc dù vậy, một hệ thống điều khiển dùng bất kỳ loại PLC nào cũng đều có cấu trúc sau
:

Hình 4: Cấu trúc chung hệ thống điều khiển dùng PLC.
Page 19 of 56


Trong đó:
● Đầu vào dạng số: gồm hai trạng thái ON và OFF. Khi ở trạng thái ON thì đầu vào
số được coi như ở mức logic 1 hay mức logic cao. Khi ở trạng thái OFF thì đầu vào số có
thể được coi như ở mức logic 0 hay mức logic thấp.
Các kênh vào số thường nối với các cảm biến hai trạng thái dạng đóng/ ngắt
(On/Of) như:
- Cảm biến quang điện,
- Cảm biến tiệm cận
- Cảm biến xung điện
- Các công tắc
● Đầu vào tương tự: tín hiệu vào là tín hiệu tương tự , thường đầu vào tương tự có
tầm 0 – 20 mA, 4 – 20 mA hay 0 – 10VDC.
- Cảm biến lưu lượng
- Cảm biến độ ẩm
- Cảm biến áp xuất

- Cảm biến nhiệt độ
- Cảm biến áp xuất
- Cảm biến vị trí / tốc độ / gia tốc
- Cảm biến lực
● Đầu ra số: gồm 2 trạng thái ON và OFF. Các đầu ra này thường được nối ra để
điều khiển các van solenoid, cuộn dây contactor, đèn hiệu.
Các kênh ra số có thể nối với các thiết bị như:
- Các cuộn hút cho van điện từ
- Các động cơ bước
- Các cơ cấu đóng ngắt vv.
● Đầu ra tương tự: tín hiệu ra là tín hiệu tương tự, thường có tầm từ 0 – 10 VDC.
Các kênh ra tương tự thường được nối với các cơ cấu chấp hành tương tự:
- Các động cơ DC và AC
Page 20 of 56


- Các van và các động cơ, xi lanh thuỷ khí
- Các thiết bị đo tương tự.
● Thiết bị đầu vào: gồm các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển, thường là nút nhấn,
cảm biến …
* Cảm biến: là thiết bị nhằm biến đổi một trạng thái vật lý thành tín hiệu điện để
PLC sử dụng. Cảm biến được nối với đầu vào của PLC. Một ví dụ là sử dụng nút nhấn
nối với đầu vào của PLC, một tín hiệu điện được gửi tới PLC chỉ ra trạng thái (đóng/mở)
của tiếp điểm nút nhấn.
● Thiết bị chấp hành (Actuator): là thiết bị biến đổi tín hiệu điện từ PLC thành một
tác động vật lý. Actuator được nối với đầu ra của PLC. Một ví dụ của actuator là sử dụng
một Soft Starter (bộ khởi động mềm) được nối ở đầu ra PLC, tùy thuộc vào tín hiệu đầu
ra PLC mà bộ Soft Starter sẽ khởi động hay dừng động cơ.
● Chương trình điều khiển: một chương trình bao gồm một hay nhiều lệnh nhằm
thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Việc lập trình cho PLC chỉ đơn giản là xây dựng một tập

hợp các lệnh. Có nhiều cách để lập trình cho PLC như: dạng lập trình hình thang (LAD),
dạng câu lệnh (STL), hay dạng sơ đồ khối chức năng (FBD). Chương trình điều khiển
định ra qui luật thay đổi tín hiệu output phía đầu ra của PLC theo sự thay đổi của tín hiệu
input phía đầu vào theo như mong muốn. Các chương trình điều khiển được tạo ra bằng
cách sử dụng bộ lập trình chuyên dụng cầm tay (hand-held programmer hay PG =
programmer) hoặc chạy phần mềm điều khiển trên máy tính PC và được nạp vào PLC
thông qua cáp, nối giữa PLC và PC hoặc PG.
Cần chú ý là chương trình để điều khiển hệ thống chạy trên PLC, do đó không cần
có máy tính hay bộ lập trình để chạy PLC, chúng chỉ đóng vai trò bộ lập trình hay bộ
giám sát hoạt động thông qua việc trao đổi thông tin với PLC.
Chương trình của các PLC thường có cấu trúc, gồm có chương trình chính (main
program), các chương trình con (subroutine) và chương trình ngắt (interrupt). Nhờ đó cấu
trúc của chương trình trở nên dễ đọc và rõ ràng hơn.

Page 21 of 56


Hình 5. Các dạng tín hiệu đầu vào của PLC

Chương trình PLC được thực thi theo các chu kỳ quét liên tục. Chương trình PLC
thực thi là một phần của một quá trình lặp lại: chu kỳ quét. Chu kỳ quét của PLC bắt đầu
với việc CPU đọc trạng thái của các đầu vào. Chương trình ứng dụng được thực hiện sử
dụng trạng thái của các đầu vào này. Khi chương trình này thực hiện xong thì CPU sẽ bắt
đầu quá trình tự chẩn đoán và các tác vụ giao tiếp. Chu kỳ quét kết thúc bởi việc cập nhật
các đầu ra, sau đó lại lặp lại từ đầu. Thời gian thực hiện chu kỳ quét phụ thuộc vào kích
thước của chương trình, số lượng các đầu vào/ra cần được giám sát của PLC và vào số
lượng yêu cầu giao tiếp.

Page 22 of 56

Hình 6. Chu kỳ (vòng) quét của PLC
● Thiết bị lập trình (PG/PC): chương trình viết trong thiết bị lập trình và truyền
xuống PLC.
● Cáp kết nối (cáp PPI): thiết bị cần thiết để truyền dữ liệu từ thiết bị lập trình đến
PLC.
Quy trình thiết kế hệ điều khiển dùng PLC: Bao gồm các bước cơ bản như sau:
1- Xác định quy trình điều khiển: trong bước này cần phải biết về đối tượng điều
khiển của PLC. Các thay đổi của đối tượng điều khiển được kiểm tra thường xuyên bởi
các thiết bị đầu vào, các thiết bị này gởi tín hiệu đến PLC để tính toán xuất các tín hiệu ra
đến các thiết bị đầu ra để điều khiển hoạt động của đối tượng.
2- Xác định tín hiệu vào ra: trong bước này cần xác định cách kết nối các thiết bị
đầu vào, ra với PLC. Thiết bị vào có thể là tiếp điểm, cảm biến,…. Thiết bị ra có thể là
các loại cuộn dây điện từ , đèn, …
3- Soạn thảo chương trình: chương trình được viết dưới dạng LAD, STL, hay dạng
FBD.
4- Nạp chương trình cho PLC
5- Chạy chương trình: trước khi khởi động hệ thống cần kiểm tra nối dây từ PLC
đến các thiết bị ngoại vi và trong quá trình chạy kiểm tra có thể cần thực hiện các bước
tinh chỉnh hệ thống để đảm bảo an toàn khi đưa vào hoạt động thực tế.

Page 23 of 56


Trong bài thí nghiệm với PLC S7-200 (của hãng Siemens) cần quan tâm tới hai vấn
đề sau:
●Sơ đồ nối dây PLC: thể hiện sơ đồ nối dây thực của các thiết bị phía input và phía
output vào PLC S7–200.
●Sơ đồ điều khiển PLC: được viết bằng STEP7-Micro/WIN là phần mềm dùng cho
các PLC thuộc chủng loại S7-200

2.3 Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7-200
PLC có thể được phân thành hai loại: Micro PLC và Modular PLC.
Micro PLC là loại PLC mà các đầu vào, bộ xử lý, các đầu ra và bộ nguồn đều
được đặt chung trong cùng một khối. Các PLC này thì khá rẻ và thường được dùng trong
các ngành công nghiệp nhẹ mà ở đó các điện áp cao không cần thiết. Chúng có những cấu
hình khác nhau về đầu vào, đầu ra, khả năng bộ nhớ và có thể làm việc lâu dài để thỏa
mãn các ứng dụng khác nhau. Họ PLC S7-200 của Siemens thuộc loại PLC này.
Modular PLC là loại PLC dùng trong các ứng dụng công nghiệp nặng thường là
các hệ thống dạng mô đun. Các loại PLC này có các cấu hình khác nhau về đầu vào/đầu
ra, nguồn cung cấp, dạng tín hiệu (rời rạc hay tương tự), các ứng dụng mạng và điều
khiển từ xa. Các hệ thống PLC này bao gồm các mô đun xử lý, mô đun đầu vào/đầu ra,
thanh gắn, mô đun nguồn, bộ lập trình và các mô đun giao tiếp nếu cần thiết. Họ PLC S7300, S7-400 của Siemens thuộc loại này.
Bộ xử lý của cả PLC loại Micro hay Modular đều bao gồm CPU, bộ nhớ, các
cổng giao tiếp và các cổng ngoại vi. Không phải tất cả các PLC đều có cấu hình giống
nhau mà có thể khác nhau về bộ nhớ, các cấu hình đầu vào/đầu ra, cấu hình mạng và
nhiều đặc tính khác.

Page 24 of 56


Ta sử dụng bộ S7-200/CPU 224 để giải quyết yêu cầu bài toán
Bộ S7-200/CPU 224 có các tính năng sau :
– Số cổng vào/ra (I/O): 14 đầu vào số/10 đầu ra số (địa chỉ từ I0.0 ÷ I1..5, Q0.0 ÷
Q1.1).
– Số tối đa các bộ mở rộng có thể ghép nối: 7
– Tốc độ xử lý lệnh Boolean: 0.37 µs/lệnh.
– Bộ đếm thời gian (timer): 256 bộ.
– Bộ đếm (counter): 256 bộ.
– Bộ đếm tốc độ cao (high-speed counter): 6 (30 kHz).

– Đồng hồ thời gian thực.
– Bộ nhớ chương trình/dữ liệu: 8KB/5KB.
– Cổng giao tiếp: 1.
– Số đầu ra xung: 2 (20 kHz)

Cấu trúc bộ nhớ của PLC S7-200.
Bộ nhớ PLC được chia làm 4 vùng cơ bản, hầu hết các vùng nhớ đều có khả năng
đọc/ghi chỉ trừ vùng nhớ đặc biệt SM (Special Memory) là vùng nhớ có số chỉ đọc, số
còn lại có thể đọc/ghi được.
+ Vùng nhớ chương trình: Là miền bộ nhớ được dùng để lưu giữ các lệnh. chương trình.
Vùng này thuộc kiểu non-valatie đọc/ghi được.
+ Vùng nhớ tham số: Là miền lưu giữ các tham số như từ khoá, địa chỉ trạm... cũng giống
như vùng chương trình, vùng này thuộc kiểu (non-valatile) đọc/ghi được.
+ Vùng dữ liệu: Được sử dụng để cất các 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...

Page 25 of 56