Bài tập lớn : HỆ THỐNG SCADA, DCS VÀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

BỘ CỒNG THƯƠNG
Trường đại học Công Nghiệp Hà Nội

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập-Tự do-Hạnh phúc

Bài tập lớn : HỆ THỐNG SCADA, DCS VÀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG
NGHIỆP
Họ và tên HS-SV : Nhóm 4
1. Nguyễn Văn Việt
2. Phạn Ngọc Thiện
3. Bùi Văn Dũng
Lớp : ĐH TĐH3
Khoá : 6
Khoa : Điện
Giáo viên hướng dẫn : Hoàng Quốc Xuyên
NỘI DUNG
Thiết kế giao diện cho mô hình đo lường độ Oxy hòa tan sử dụng phần mềm WinCC
và bộ điều khiển PLC S7-200
PHẦN THUYẾT MINH
Chương 1- Tìm hiểu các cảm biến đo độ Oxy hòa tan
Chương 2- Thiết kế phần mềm đo lường trên S7-200
Chương 3- Thiết kế giao diện giám sát
Chương 4- Kết quả mô phỏng.
Ngày giao đề : 10/10/2014 Ngày hoàn thành : 10/12/2014
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Hoàng Quốc Xuyên

Trang 1


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

CHƯƠNG I
TÌM HIỂU VỀ CÁC CẢM BIẾN ĐO ĐỘ OXY HÒA TAN
Định nghĩa oxi hòa tan
Định nghĩa:
Oxy hòa tan : là lượng oxy có trong nước được tính bằng mg/l hay % bảo hòa dựa
vào nhiệt độ. Phần trăm bảo hòa là phần trăm tìm tàng của nước để giữ oxi có mặt
trong nước.Oxy trong nước mặt dao động từ 0 mg/l ở nguồn nước có điều kiện quá tệ
cho đến 15 mg/l trong nước đóng băng.
COD ( Chemical Oxygen Demand ) là lượng oxy cần thiết để oxy hóa chất hữu cơ
bằng dung dịch acid dicromate.Phản ứng hóa học này thường oxy hóa hơn 95% chất
hữu cơ trong 3 giờ.
BOD : nhu cầu ôxy hóa sinh học hay nhu cầu ôxy sinh học (ký hiệu: BOD, từ viết
tắt trong tiếng Anh của Biochemical (hay Biological) Oxygen Demand) là lượng oxy
cần cung cấp để oxy hoá các chất hữu cơ trong nước bởi vi sinh vật. BOD là một chỉ
số và đồng thời là một thủ tục được sử dụng để xác định xem các sinh vật sử dụng hết
ôxy trong nước nhanh hay chậm như thế nào. Nó được sử dụng trong quản lý và khảo
sát chất lượng nước cũng như trong sinh thái học hay khoa học môi trường.
BOD5: là lượng oxy cần thiết cho vi khuẩn oxy hóa chất hữu cơ tại 20 oC trong 5
ngày.
1.1.
1.1.1.

Bảng 1: Mức BOD theo chất lượng nước

Trang 2


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

DO (Dessolved Oxygen) :là lượng oxy hòa tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp
của các thủy sinh. Trong các chất khí hòa tan trong nước, oxy hòa tan đóng một vai
trò rất quan trọng. Oxy hòa tan cần thiết cho sinh vật thủy sinh phát triển, nó là điều
kiện không thể thiếu của quá trình phân hủy hiếu khí của vi sinh vật. Khi nước bị ô
nhiễm do các chất hữu cơ dễ bị phân hủy bởi vi sinh vật thì lượng oxy hòa tan trong
nước sẽ bị tiêu thụ bớt, do đó giá trị DO sẽ thấp hơn so với DO bảo hòa tại điều kiện
đó. Vì vậy DO được sử dụng như một thông số để đánh giá mức độ ô nhiễm chất hữu
cơ của các nguồn nước. DO có ý nghĩa lớn đối với quá trình tự làm sạch của sông
(assimilative capacity - AC). Đơn vị tính của DO thường dùng là mg/l.
Hàm lượng oxy hòa tan = lượng đưa vào – lượng mất đi.
1.1.2.

Phương pháp xác định BOD và COD :
+ Phương pháp xác định BOD:
Thử nghiệm BOD được thực hiện bằng cách hòa loãng mẫu nước thử với nước đã
khử ion và bão hòa về ôxy, thêm một lượng cố định vi sinh vật mầm giống, đo lượng
ôxy hòa tan và đậy chặt nắp mẫu thử để ngăn ngừa ôxy không cho hòa tan thêm (từ
ngoài không khí). Mẫu thử được giữ ở nhiệt độ 20°C trong bóng tối để ngăn chặn
quang hợp (nguồn bổ sung thêm ôxy ngoài dự kiến) trong vòng 5 ngày và sau đó đo
lại lượng ôxy hòa tan. Khác biệt giữa lượng DO (ôxy hòa tan) cuối và lượng DO ban
đầu chính là giá trị của BOD.

Giá trị BOD của mẫu đối chứng được trừ đi từ giá
trị BOD của mẫu thử để chỉnh sai số nhằm đưa ra giá trị BOD chính xác của mẫu thử.
Ngày nay việc đo BOD được thực hiện bằng phương pháp chai đo BOD Oxitop:
đặt chai trong tủ 20oC trong 5 ngày, BOD được đo tự động khi nhiệt độ đạt đến
20oC. Giá trị BOD được ghi tự động sau mỗi 24 giờ.
+ Phương pháp xác định COD:
Trong nhiều năm, tác nhân ôxi hóa mạnh là pemanganat kali (KMnO4) đã được sử
dụng để đo nhu cầu ôxy hóa học. Tính hiệu quả của pemanaganat kali trong việc ôxi
hóa các hợp chất hữu cơ bị dao động khá lớn. Điều này chỉ ra rằng pemanganat kali
không thể có hiệu quả trong việc ôxi hóa tất cả các chất hữu cơ có trong dung dịch
nước, làm cho nó trở thành một tác nhân tương đối kém trong việc xác định chỉ số
COD.
Kể từ đó, các tác nhân ôxi hóa khác như sulfat xêri, iodat kali hay dicromat kali đã
được sử dụng để xác định COD. Trong đó, dicromat kali (K2Cr2O7) là có hiệu quả
nhất: tương đối rẻ, dể dàng tinh chế và có khả năng gần như ôxi hóa hoàn toàn mọi
chất hữu cơ.

Trang 3


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

Phương pháp đo COD bằng tác nhân oxy hoá cho kết quả sau 3 giờ và số liệu COD
chuyển đổi sang BOD khi việc thí nghiệm đủ nhiều để rút ra hệ số tương quan có độ
tin cậy lớn.
Lưu ý : Kết hợp 2 loại số liệu BOD, COD cho phép đánh giá lượng hữu cơ đối với
sự phân hủy sinh học.
+ Phương pháp xác định DO ( phương pháp Winkler )

Công thức tính DO:
DO (mg/l) = [ ( ml Na2S2O3 0.025N ) * N*8*1000] / V ml mẫu
1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến oxy hòa tan
• Nhiệt độ
Nhiệt độ của nước nguồn cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hàm lượng oxy trong
nước nguồn.
Về mùa hè khi nhiệt độ của nước nguồn tăng, quá trình oxy hóa sinh hóa các chất
hữu cơ xảy ra với cường độ mạnh hơn. Trong khi đó độ hòa tan của oxy vào nước lại
giảm xuống. Vì vậy về mùa hè, độ thiếu hụt oxy tăng nhanh hơn so với mùa đông .
Về mùa đông nhiệt độ nước nguồn thấp nên độ hòa tan tăng, tuy nhiên với nhiệt độ
thấp các vi khuẩn hiếu khí tham gia vào quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ
sẽ hoạt động yếu. Do đó quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ xảy ra chậm chạp.

Hình 1.1: Độ Oxi và Nito trong nước cất được bão hòa không khi ở áp xuất 760mHg
Lưu ý : Nhiệt độ nước nếu gia tăng nhanh cũng gây ra gas bubble disease vì khả năng
bền chặt của các chất khí trong nước tỷ lệ nghịch với nhiệt độ nước
Cặn lắng
Khi xả nước thải chưa xử lý vào nguồn nước, các chất lơ lửng sẽ lắng xuống đáy
nguồn và khi tốc độ dòng chảy trong nguồn không lớn lắm thì các chất đó sẽ lắng ở
ngay cạnh cống xả.
•

Trang 4


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

Các chất hữu cơ của cặn lắng bị phân hủy bởi vi khuẩn. Nếu lượng cặn lắng lớn và

lượng oxy trong nước nguồn không đủ cho quá trình phân hủy hiếu khí thì oxy hoà
tan của nước nguồn cạn kiệt (DO = 0). Lúc đó quá trình phân giải yếm khí sẽ xảy ra
và sản phẩm của nó là chất khí H2S, CO2, CH4. Các chất khí khi nổi lên mặt nước
lôi kéo theo các hạt cặn đã phân hủy, đồng thời các bọt khí vỡ tung và bay vào khí
quyển. Chúng làm ô nhiễm cả nước và không khí xung quanh.
Cần chú ý rằng quá trình yếm khí xảy ra chậm hơn nhiều so với quá trình hiếu khí.
Bởi vậy khi đưa cặn mới vào nguồn thì quá trình phân giải yếm khí có thể xảy ra liên
tục trong một thời gian dài và quá trình tự làm sạch nguồn nước có thể coi như chấm
dứt. Nguồn như vậy không thể sử dụng vào mục đích cấp nước, cá sẽ không thể sống
và có thể có nhiều thiệt hại khác nữa.
• Áp suất
Áp suất cao oxy hòa tan trong nước tăng và ngược lại.Vì áp suất cao oxy dể đi vào
nước.
• Độ mặn
Độ hòa tan của oxy trong nước muối thấp hơn trong nước ngọt.Vì độ hòa tan oxy
phụ thuộc vào hàm lượng hàm lượng clorua trong nước. Nồng clorua cao thì oxy hòa
tan càng ít và ngược lại.

Bản
mặn ở

g 2: Lượng oxi hào tan của không khí vào nước theo nhiệt độ và độ
1 atm
• Một số yếu tố khác
- Oxi trong không khí : để oxy hóa các chất hữu cơ, trong nguồn nước luôn xảy ra
quá trình bổ sung lượng oxy mới. Nguồn bổ sung oxy là không khí. Chúng hòa tan
vào nguồn nước qua mặt thoáng của nguồn nước.
- Quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh tạo ra oxy.

Trang 5

Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

- Quá trình hô hấp của thủy sinh vật làm tiêu hao oxy.
- Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước của vi khuẩn làm tiêu hao oxy.
- Độ hòa tan của oxy vào nước phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc giữa hai pha oxy và
nước. Diện tích tiếp xúc lớn oxy hòa tan cao va ngược lại.
- Độ thoáng trên bề mặt. Thoáng nhiều thì oxy hòa tan nhiều và ngược lại.
- Độ hòa tan phụ thuộc vào mức độ xáo trộn gây ra bởi dòng chảy cũng như các tác
nhân như gió trên mặt thoáng của dòng chảy.
- Sự thay đổi mùa cũng ảnh hưởng đến nồng độ ôxy.
VD: mùa hè nhiệt độ ấm làm tăng tốc độ tổng hợp và phân huỷ hàm lượng oxy hòa
tam giảm.
1.2. Tìm hiểu các cảm biến đo độ Oxy hòa tan
1.2.1Phương pháp đo nồng độ oxi
Xác định nồng độ oxi chính là xác định giá trị của đại lượng DO (Dessolved
Oxygen)
Có thể xác định DO bằng hai phương pháp khác nhau:
1.2.1.1 Phương pháp Winkler (hóa học).
Cách tiến hành:
Oxy trong nước được cố định ngay sau khi lấy mẫu bằng hỗn hợp chất cố định
(MnSO4, KI, NaN3), lúc này oxy hòa tan trong mẫu sẽ phản ứng với Mn2+ tạo thành
MnO2. Khi đem mẫu về phòng thí nghiệm, thêm acid sulfuric hay phosphoric vào
mẫu, lúc này MnO2 sẽ oxy hóa I- thành I2. Chuẩn độ I2 tạo thành bằng Na2S2O3 với
chỉ thị hồ tinh bột. Tính ra lượng O2 có trong mẫu theo công thức:
DO (mg/l) = (VTB x N/ VM ) x 8 x 1.000
Trong đó:

VTB: là thể tích trung bình dung dịch Na2S2O3 0,01N (ml) trong các lần chuẩn
độ.
N: là nồng độ đương lượng gam của dung dịch Na2S2O3 đã sử dụng.
8: là đương lượng gam của oxy.
VM: là thể tích (ml) mẫu nước đem chuẩn độ.
1.000: là hệ số chuyển đổi thành lít.
1.2.1.2 Phương pháp điện cực oxy hoà tan- máy đo oxy:
Đây là phương pháp được sử dụng rất phổ biến hiện nay. Máy đo DO được dùng
để xác định nồng độ oxy hòa tan ngay tại hiện trường. Điện cực của máy đo DO hoạt
động theo nguyên tắc: dòng điện xuất hiện trong điện cực tỷ lệ với lượng oxy hòa tan
trong nước khuếch tán qua màng điện cực, trong lúc đó lượng oxy khuếch tán qua

Trang 6


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

màng lại tỷ lệ với nồng độ của oxy hòa tan. Đo cường độ dòng điện xuất hiện này cho
phép xác định được DO
1.2.2. Cảm biến đo
1.2.2.1 Công nghệ quang
Công nghệ phát quang tạo bước đột phá trong ứng dụng đo đạc oxy hòa tan.

Hình 1.2: Sensor LDO(HACH LDO) đo oxy theo công nghệ quang
Phương pháp đo
Sensor HACH LDO được phủ một lớp vật liệu huỳnh quang. Ánh sáng xanh
từ đèn LED chiếu tới bề mặt sensor. Ánh sáng xanh kích thích vật liệu huỳnh quang.
Khi vật liệu ở trạng thái nghỉ nó sẽ phát lại tia sáng đỏ. Thời gian để tia đỏ phát sáng

được ghi lại. Giữa những lần chớp sáng tia màu xanh, một tia đỏ từ đèn LED khác
được chiếu tới bề mặt sensor để dùng như sự tham chiếu bên trong.
Oxy gia tăng trong mẫu sẽ làm giảm thời gian ánh sáng đỏ được phát ra. Thời
gian đo đạc được tỉ lệ với nồng độ oxy.

Đặc tính :
-

Chuẩn xác và nhanh chóng

Sensor không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của pH, hydro sunfit hay chất hữu cơ
bám lên sensor. Không cần mất thời gian để làm quen, máy phân tích có thể đọc ngay
kết quả trong vòng 30 giây khi được kết nối với bộ điều khiển.
Trang 7


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

Lắp đặt và bảo dưỡng đơn giản
Đầu đo HACH LDO có thể được lắp đặt cùng với bộ kit dạng quả cầu nổi. Đầu đo
chỉ có 1 bộ phận có thể thay thế không tốn kém nhiều đó là nắp sensor- thay mới rất
đơn giản. Nắp sensor được bảo hành 1 năm và toàn bộ đầu đo là 3 năm.
Hiệu chuẩn bởi nhà sản xuất và việc thay thế màng là không cần thiết. Cần định kì
lau chùi sensor với miếng gạc ướt để sensor có thể hoạt động tốt một cách liên tục.
Đại lượng
Thông số
-

Thang đo

+0 đến 20.0 ppm,
+0 đến 20.0 mg/L,
+0 đến 200% độ bão hòa

Độ nhạy

±0.5% khoảng chia

Độ chuẩn xác
Nhiệt độ
Độ lặp lại:
Thời gian phản hồi ở
20ºC
Độ phân giải

Nhiệt độ vận hành
Độ sâu đặt đầu đo và
giới hạn áp suất
Khoảng cách truyền tín
hiệu
Nắp cảm biến

Thông số đo: Dưới 1 ppm: ±0.1 ppm Trên 1
ppm: ±0.2 ppm
±0.2°C
±0.5% khoảng chia
+Đến 90% ít hơn 40 giây
+Đến 95% ít hơn 60 giây

Dưới 10 ppm:

Trên 10 ppm:

±0.01 ppm hay mg/L,
±0.1% độ bão hòa

±0.1 ppm hay mg/L,
±0.1% độ bão hòa

0 đến 50°C (32 đến 122°F)
107 m (350 ft.), 1050 kPa (150 psi), tối đa
+100 m (328 ft.) tối đa;
+1000 m (3280 ft.) tối đa
Polybutyl methacrolate

Kích thước

60 x 292 mm (2.4 x 11.5 in.)

Khối lượng

1.4 kg (3 lb., 2 oz.)

Bảng 3: Thông số kĩ thuật của Sensor LDO(HACH LDO)
Trang 8


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

1.2.2.2 Máy đo oxy

Hình 1.3 : Máy đo nồng độ oxy hòa tan và nhiệt độ
Máy đo nồng độ ôxy hoà tan cầm tay DOT-01 là sản phẩm hợp tác giữa Viện
Khoa Học Vật Liệu, Viện Khoa Học và Công nghệ Việt nam và Đại học Paris7,
CNRS, Cộng hoà Pháp.
Đại lượng

Thông số

Khoảng đo

0.0 - 19.9 mg/l

Độ phân giải

0.1 mg/l

Độ chính xác

± 1.5 % toàn thang

Thang đo

± 0.4 mg/l
± 0.3 mg/l

Hiệu chỉnh Chỉnh tay

ở 2 điểm (điểm 0 và độ dốc)

Tự động hiệu chỉnh
bằng nút nhấn mềm

9 V Alkaline , 150 giờ
9 V Alkaline, 200 giờ

Bù trừ nhiệt độ

20 - 300 C
0- 500 C
Trang 9


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên
Bảng 4: Thông số DOT-01 DOT-0204

CHƯƠNG II
THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐO LƯỜNG TRÊN S7-200
2.1. Giới thiệu chung về PLC S7-200:
2.1.1 Tổng quan về PLC
PLC, viết tắt của (programable logic) controlerlà 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 ).

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình của hãng Siemens ( CHLB Đức ), có
cấu trúc kiểu module và có các module mở rộng. Các module này được sử dụng với
những mục đích khác nhau.
Toàn bộ nội dung chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC, trong trường hợp
dung lượng bộ nhớ không đủ ta có thể sử dụng bộ nhớ ngoài để lưu chương trình và
dữ liệu (Catridge ).
Dòng PLC S7-200 có hai họ là 21X ( loại cũ ) và 22X ( loại mới ), trong đó họ
21X không còn sản xuất nữa. Họ 21X có các đời sau: 210, 212, 214, 215-2DP, 216;
họ 22X có các đời sau: 221, 222, 224,224XP, 226, 226XM

Trang 10


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

Bảng 4: Thông số và các đặc điểm kỹ thuật của series 22X :


Giới thiệu về module mở rộng:

- Module đầu vào số: EM221, có nhiều loại bao gồm 8/16 đầu vào và điện áp
24VDC/120-230VAC
- Module đầu ra số: EM222 bao gồm 4/8 đầu ra 24VDC/RELAY/230VAC
- Module vào/ra số: EM223 bao gồm 4/8/16 đầu vào 24VDC và 4/8/16 đầu ra
24VDC/RELAY/230VAC.
- Module đầu vào tương tự: EM231 từ 2/4 đầu vào với các loại tín hiệu 010V,4-20mA…
- Module đầu ra tương tự: EM232 có 2 đầu ra .
Trang 11

Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

- Module vào ra tương tự: EM235 gồm 4 đầu vào và 1 đầu ra.
- Ngoài ra còn có các loại module thích hợp cho những ứng dụng khác như
module điều khiển vị trí, module truyền thông.
2.1.2.Cấu trúc phần của S7-S200
•

Hình dáng và cấu trúc bên ngoài:

Các đầu vào/ra số:
- Đầu vào (Ix.x ): kết nối với nút bấm, công tắc,sensor…với điện áp vào tiêu chuẩn
24VDC.
- Đầu ra (Qx.x): kết nối với thiết bị điều khiển với các điện áp 24VDC/220VAC ( tùy
theo loại CPU ).
- Đầu vào nguồn: 24VDC/220VAC ( tùy theo loại CPU ).
Đèn trạng thái:
- Đèn RUN (màu xanh): Chỉ báo PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương
trình đã được
nạp vào bộ nhớ chương trình.
- Đèn STOP (màu vàng): Chỉ báo PLC đang ở chế độ dừng và không thực hiện
chương trình,
các đầu ra đều ở trạng thái “OFF”.
- Đèn SF/DIAG: Chỉ báo hệ thống bị hỏng tức do lỗi phần cứng hoặc hệ điều hành.
- Đèn Ix.x(màu xanh): Chỉ báo trạng thái của đầu vào số(ON/OFF).
- Đèn Qx.x(màu xanh): Chỉ báo trạng thái của đầu ra số(ON/OFF).

Port truyền thông:
- Port truyền thông nối tiếp RS485: Giao tiếp với PC, PG, TD200, OP, mạng biến
tần…
- Port cho module mở rộng: Kết nối với module mở rộng.

Trang 12


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

Công tắc chuyển chế độ:
- RUN: Cho phép PLC thực hiện chương trình, khi chương trình lỗi hoặc gặp lệnh
STOP thì
PLC tự động chuyển sang chế độ STOP mặc dù công tắc vẫn ở vị trí RUN ( quan sát
đèn trạng thái ).
- STOP: Dừng cưỡng bức chương trình đang chạy, các đầu ra chuyển về OFF.
- TERM: Cho phép người dùng chọn một trong hai chế độ RUN/STOP từ xa, ngoài ra
còn được dùng để download chương trình người dùng.
Vít chỉnh tương tự:
Mỗi PLC đều có từ một đến hai vít chỉnh tương tự có thể xoay được 270 độ để thay
đổi giá trị của vùng nhớ biến trong chương trình.
•

Cấu trúc phần cứng:

Cấu trúc phần cứng của một PLC gồm có các module sau:
- Module nguồn.
- Module đầu vào.

- Module đầu ra.
- Module đơn vị xử lý trung tâm (CPU).
- Module bộ nhớ.
- Module quản lý phối ghép vào ra.

Trang 13


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

Hình 2.1 : Sơ đồ khối của S7 200

Đơn vị xử lý trung tâm (CPU Central Processing Unit):
CPU dùng để xử lý, thực hiện những chức năng điều khiển phức tạp quan trọng
của PLC. Mỗi PLC thường có từ một đến hai đơn vị xử lý trung tâm.CPU thường
được chia làm hai loại: đơn vị xử lý “một bit” và đơn vị xử lý “từ ngữ”:
- Đơn vị xử lý “một bit”: Chỉ áp dụng cho những ứng dụng nhỏ, đơn giản, chỉ đơn
thuần xử lý ON/OFF nên kết cấu đơn giản, thời gian xử lý dài.
- Đơn vị xử lý “từ ngữ”: Có khả năng xử lý nhanh các thông tin số, văn bản, phép
toán, đo lường, đánh giá, kiểm tra nên cấu trúc phần cứng phức tạp hơn nhiều tuy
nhiên thời gian xử lý được cải thiện nhanh hơn.
Bộ nhớ:
Bao gồm các loại bộ nhớ RAM, ROM, EEFROM, là nơi lưu trữ các thông tin cần xử
lý trong chương trình của PLC.
Bộ nhớ được thiết kế thành dạng module để cho phép dễ dàng thích nghi với các chức
năng điều khiển với các kích cỡ khác nhau. Muốn mở rộng bộ nhớ chỉ cần cắm thẻ
nhớ vào rãnh cắm chờ sẵn trên module CPU.Bộ nhớ có một tụ dùng để duy trì dữ liệu
chương trình khi mất điện

Trang 14


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

Khối vào/ra:
Khối vào ra dùng để giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC (điện áp 5/15VDC) với
mạch công suất bên ngoài(điện áp 24VDC/220VAC).Khối ngõ vào thực hiện việc
chuyển mức điện áp từ cao xuống mức tín hiệu tiêu chuẩn để đưa vào bộ xử lý Khối
ngõ ra thực hiện việc chuyển mức tín hiệu từ tiêu chuẩn sang tín hiệu ngõ ra và cách
ly quang.
Bộ nguồn:
Biến đổi từ nguồn cấp bên ngoài vào để cung cấp cho sự hoạt động của PLC.
Khối quản lý ghép nối:
Dùng để phối ghép giữa PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị lập
trình, bảng vận hành, mạng truyền thông công nghiệp.
•

Cấu trúc bộ nhớ
- Phân chia bộ nhớ:

Bộ nhớ của PLC S7-200 được chia thành bốn vùng cơ bản và hầu hết có thể đọc ghi
được chỉ trừ vùng nhớ đặc biệt(SM) chỉ có thể truy cập để đọc

Hình 2.2: Cấu trúc bộ nhớ của PLC S7 200
-Vùng nhớ chương trình: Là miền nhớ được dùng để lưu trữ các lệnh được dùng
trong chương trình.Vùng này thuộc kiểu non-volatile có thể đọc và ghi được.
- Vùng nhớ tham số: Dùng để lưu giữ các tham số như từ khóa, địa chỉ trạm… Vùng

này thuộc kiểu non-volatile có thể đọc và ghi được
Trang 15


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

- Vùng dữ liệu: Dùng để cất giữ các dữ liệu của chương trình bao gồm kết quả các
phép tính, các hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệm truyền thông…
- Vùng đối tượng: Bao gồm các bộ đếm, bộ định thì, các cổng vào ra tương tự. Vùng
này không thuộc kiểu non-volatile nhưng có thể đọc và ghi được.
Hai vùng nhớ cuối có ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện một chương trình.
-

Vùng nhớ chương trình:

Vùng nhớ chương trình gồm ba khối chính: OB1, SUBROUTIN và INTERRUPT.
- OB1: Chứa chương trình chính, các lệnh trong khối này luôn được quét trong mỗi
vòng quét.
- SUBROUTIN: Chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và có biến hình
thức để trao đổi dữ liệu, chương trình con sẽ được thực hiện khi có lệnh gọi từ
chương trình chính.
- INTERRUPT: Miền chứa chương trình ngắt, được tổ chức thành hàm và có khả
năng trao đổi dữ liệu với bất kỳ một khối chương trình nào khác. Chương trình này sẽ
được thực hiện khi có sự kiện ngắt xảy ra.
-

Vùng nhớ dữ liệu:

Vùng dữ liệu là một vùng nhớ động. Nó có thể được truy cập theo từng bit, từng
byte, từng từ đơn(word) hay từ kép (double word) và được sử dụng làm miền lưu trữ
dữ liệu cho các thuật toán, các hàm truyền thông, lập bảng, các hàm dịch chuyển,
xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ…Vùng dữ liệu được chia thành những vùng nhớ
nhỏ để phục vụ cho những mục đích và công dụng khác nhau, bao gồm các vùng sau:
- V (Variable memory): Vùng nhớ biến.
- I (Input image register): Vùng đệm đầu vào.
- Q (Output image register): Vùng đệm đầu ra.
- M (Internal memory bits): Vùng nhớ các bit nội.
- SM (Special memory): Vùng nhớ đặc biệt.
•

Mở rộng cổng ra, vào:

Trang 16


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

Các PLC họ S7-200 đều có thể mở rộng thêm các đầu vào/ra và các chức năng nâng
cao khác bằng cách ghép nối thêm các module mở rộng về phía bên phải của PLC tạo
thành một móc xích các module.Địa chỉ của các vị trí các module được xác định bằng
kiểu vào ra và vị trí của các module trong móc xích,bao gồm các module có cùng
kiểu.
Các module mở rộng số hay tương tự đều chiếm chỗ trong bộ đệm tương ứng với
số đầu vào ra của module.
Ví dụ cách đặt địa chỉ module mở rộng của CPU224:
•

Thực hiện chương trình:

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp gọi là một vòng quét.
Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đệm
ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương trình
được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc tại lệnh kết thúc. Sau giai đoạn thực
hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Vòng quét được
kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra.
Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào ra, thông thường lệnh không làm việc trực
tiếp với cổng vào ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số.
Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 4 do CPU
quản lý. Khi gặp lệnh vào ra ngay lập tức thì hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc
khác ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với
cổng vào/ra.
Nếu sử dụng các chế độ ngắt, chương trình con tương ứng với các chế độ ngắt được
soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình. Chương trình ngắt chỉ được
thực hiện khi có sự kiện báo ngắt và có thể xảy ra bất kỳ lúc nào trong một vòng quét.

•

Kiểu dữ liệu

Trang 17


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

Kiểu dữ liệu

Kích thước

Nội dung

Dải giá trị

BOOL

1 bit

Boolean

0;1

BYTE

8 bits

Số nguyên
không dấu

0 ÷ 255

BYTE

8 bits

Số nguyên có

dấu

-128 ÷ 127

(chỉ áp dụng
cho lệnh
SHRB)
WORD

16 bits

Số nguyên
không dấu

0 ÷ 65535

INT

16 bits

Số nguyên có
dấu

-32678 ÷32676

DWORD

32 bits

Số nguyên

không dấu

DINT

32 bits

Số nguyên có
dấu

REAL

32 bits

Số thực có dấu -2147383648÷2147383648
theo IEEE

STRING

0–255 bytes

Kiểu dữ liệu
chuỗi ASCII

0 ÷ 4294967295

Mã ASCII từ 128 ÷ 255

Bảng 5: Các kiểu dữ liệu trong PLC S7-200

Thiết bị lập trình:

Có hai loại thiết bị có thể dùng để lập trình cho PLC S7- 200 là PG và PC
Trang 18


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

- PG: Là thiết bị lập trình chuyên dụng được dùng cho PLC S7-200 tuy nhiên chỉ sử
dụng để lập trình với ngôn ngữ STL
- PC: Là máy tính cá nhân trên đó có cài phần mềm STEP7-MICROWIN. Phần mềm
này cho phép lập trình với cả ba ngôn ngữ là STL, LAD và FBD. Để cài phần mềm
này người phải có bản quyền và PC phải cài hệ điều hành WIN98/2000/NT/XP.Hiện
nay hầu hết sử dụng STEP7-MICROWIN 3.0, 3.2, 4.0 để lập trình cho S7 để có thể
sử dụng được những ứng dụng nâng cao.

Giao diện làm việc:
Sau khi đã cài đặt phần mềm STEP7-MICROWIN và vào chương trình làm việc,
giao diện làm việc sẽ được thể hiện như sau:

Hình 2.3: Giao diện làm việc của phần mềm STEP7-MICROWIN

Các khối sử dụng trong giao diện lập trình:
Trang 19


Đồ án SCADA
•

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

Khối Programe Block:

Gồm ba khối chính:
-

-

Khối OB1: Là khối chứa chương trình chính, luôn được quét trong mỗi vòng
vòng quét. Đây là khối chính trong việc thiết kế chương trình và bắt buộc phải
có. Khối SUBROUTIN: Là khối chứa chương trình con. Chương trình chứa
trong khối này sẽ được thực hiện mỗi khi có lệnh gọi thực hiện từ chương trình
chính.
Khối INTERRUPT: Là khối chứa chương trình ngắt. Khối này sẽ được thực
hiện mỗi khi có sự kiện ngắt xảy ra.Có thể tạo nhiều chương trình con hay
chương trình ngắt tuy nhiên không thể tạo nhiều chương trình chính do chương
trình chính chỉ có một. Có thể xóa hay đổi tên chương trình con hay chương
trình

ngắt bằng cách click chuột phải vào biểu tượng chương trình và chọn “Delete” hay
“Rename”
-

Khối Data Block

Đây là khối chứa dữ liệu của một chương trình. Ta có thể định dạng dữ liệu trước
trong khối này và sử dụng chúng trong chương trình. Khi tải chương trình vào PLC
thì toàn bộ nội dung của khối sẽ được lưu vào bộ nhớ của PLC. Khối chỉ làm việc với
dữ liệu của vùng nhớ V.
Để tạo dữ liệu trong khối này ta có click vào biểu tượng trên màn hình hoặc trên cây

thư mục chọn khối và click vào biểu tượng “USER”, khi đó màn hình chương trình sẽ
chuyển sang làm việc với khối.
Cách tạo dữ liệu được thể hiện bên dưới.
-

Khối System Block:

Đây là khối định dạng các chức năng làm việc của hệ thống. Khối này gồm có 10
khối chính:
Communication Ports: Định dạng cho cổng giao tiếp của PLC.
Địa chỉ mặc định của PLC là 2, có thể thay đổi địa chỉ này.Tốc độ truyền mặc định là
9600kbps.

Trang 20


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

Retentive Ranges: Khối này cho phép chọn 5 vùng nhớ có thể lưu dữ liệu khi PLC bị
mất điện, nếu vùng nào được chọn thì dữ liệu vùng đó được giữ, ngược lại sẽ bị reset
về 0.
Password: S7-200 có 3 mức chọn mật mã,thông thường chọn mức cao nhất để bảo
mật bản quyền, số ký tự tối đa là 8. Trường hợp PLC đã có password thì người không
có password không thể upload từ PLC về máy tính nhưng có thể DownLoad chương
trình vào PLC bằng các chọn “clear PLC”,khi đó toàn bộ dữ liệu sẽ bị xóa.
Output table:
Khối này cho phép chọn trạng thái ngõ ra của PLC là ON hay OFF khi PLC chuyển
trạng thái từ RUN sang STOP. Chế độ mặc định của phần mềm là OFF.

Input Filter:
Cho phép chọn thời gian lọc tín hiệu ngõ vào của PLC. Thời gian lọc tín hiệu ngõ vào
là thời gian mà ngõ vào không đổi trạng thái thì PLC mới cho phép nhận trạng thái
đó. Nếu sự thay đổi trạng thái diễn ra trong thời gian ngắn hơn thời gian lọc thì PLC
sẽ không nhận tín hiệu đó và coi như trạng thái của ngõ vào là không thay đổi.Thời
gian lọc mặc định của đầu vào là 6.4ms
Pulse Catch Bits:
PLC cho phép chọn ngõ vào có thể bắt những tín hiệu nhanh khi chu kỳ quét chưa kịp
quét, tín hiệu đó sẽ được giữ cho đến khi chu kỳ quét được thực hiện.
Background Time:
Background time còn gọi là thời gian nền, được chuyên dùng cho việc xử lý các yêu
cầu truyền thông trong chế độ chạy ở trạng thái biên dịch hoặc đáp ứng. Background
time được cho dưới dạng phần trăm và tác động đến thời gian quét. Khi tỷ lệ chọn
càng tăng thì thời gian quét càng chậm. Tỷ lệ hợp lý được chọn là 10%.
EM Configuration:
Khối này cho phép người sử dụng xem được cấu hình vị trí của module được sử
dụng. Địa chỉ này được lưu trong vùng nhớ V.
Configure LED:

Trang 21


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

Khối này cho phép người dùng đặt cấu hình cho đèn SF/DIAG. Có hai chế độ có thể
được sử dụng để thông báo.
Increase Memory:
Khối cho phép người dùng tăng hoặc không tăng bộ nhớ trong chế độ chạy của PLC

bằng cách đánh dấu vào vị trí “Disable Edit in Run to increas memory”.
-

Khối Symbol Table:

Khối này cho phép người dùng đặt biểu tượng và chú thích các địa chỉ sử dụng trong
chương trình. Khi ta đặt biểu tượng (symbol ) và chú thích ( comment ) thì trong
chương trình sẽ thể hiện các biểu tượng này thay cho địa chỉ. Công việc này sẽ giúp
cho người dùng dễ dàng giám sát các địa chỉ được sử dụng trong chương trình.
2.1.2. Ngôn ngữ lập trình
•

Phương pháp lập trình:

S7-200 biểu diễn chương trình dưới dạng một mạch logic cứng bằng một dãy các
lệnh và khối chương trình theo thứ tự quy định. Các lệnh và khối này sẽ lần lượt được
quét trong chương trình từ đầu đến cuối trong một vòng quét. PLC sẽ làm việc ngay
tại vòng quét đầu tiên và từ đó thực hiện liên tục chu kỳ quét. Trong mỗi vòng quét
nếu có một lệnh được gọi PLC sẽ nhận lệnh đó và thực hiện, nếu không quét kịp thì
tại vòng quét tiếp theo sẽ thực hiện.
Có ba phương pháp lập trình cơ bản:
- Lập trình hình thang (LAB – Ladder Logic).
- Phương pháp khối hàm (FBD – Funtion Block Diagram).
- Phương pháp liệt kê câu lệnh (STL – Statement List).
Nếu chương trình được viết theo kiểu LAD hoặc FBD thì có thể chuyển sang dạng
STL nhưng không phải mọi chương trình viết bằng STL đều có thể chuyển sang hai
dạng kia.

•

LAD:

Trang 22


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

Là ngôn ngữ lập trình bằng đồ hoạ mô phỏng theo mạch relay. Các phần tử cơ bản
dùng để biểu diễn lệnh logic.
- Tiếp điểm: Mô tả các tiếp điểm dùng trong mạch relay, toán hạng của tiếp điểm
dùng trong chương trình là bit. Có hai loại tiếp điểm:
Tiếp điểm thường đóng
Tiếp điểm thường mở
- Cuộn dây: mô tả cuộn dây relay. Toán hạng sử dụng là bit.
- Hộp: Là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau làm việc khi có tín hiệu đến kích.
Những hàm thường được biểu diễn bằng hộp là các hàm tạo thời gian (Timer), hàm
đếm (Counter) và các hàm toán học.
- Mạng LAD: Là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn chỉnh. Thông thường
các tín hiệu điện phải đi từ dây nóng qua thiết bị rồi đến dây trung hoà sau đó về
nguồn, tuy nhiên trong phần mềm lập trình chỉ thể hiện dây nóng và bên trái và các
đường nối đến thiết bị từ đó.
•

STL:

Phương pháp liệt kê lệnh là phương pháp lập trình bằng cách tập hợp các câu lệnh,
mỗi câu lệnh thể hiện một chức năng của chương trình.
Để tạo một chương trình dạng STL người lập trình cần phải hiểu rõ phương thức sử

dụng ngăn xếp. Ngăn xếp logic là một khối gồm 9 bit chồng lên nhau từ S0 – S8. Tất
cả các thuật toán liên quan đến ngăn xếp đều chỉ làm việc với bít đầu tiên (S0) và bit
thứ hai (S1) của ngăn xếp. Giá trị logic mới đều có thể được gửi hoặc nối thêm vào
ngăn xếp. Khi phối hợp hai bit đầu tiên của ngăn xếp thì ngăn xếp sẽ được kéo lên
một bit.

Trang 23


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

Ngăn xếp và tên bit:
Bit

Chức năng

S0

Bit đầu tiên hay bit trên cùng của ngăn xếp

S1

Bit thứ hai của ngăn xếp

S2

Bit thứ ba của ngăn xếp

S3

Bit thứ tư của ngăn xếp

S4

Bit thứ năm của ngăn xếp

S5

Bit thứ sáu của ngăn xếp

S6

Bit thứ bảy của ngăn xếp

S7

Bit thứ tám của ngăn xếp

S8

Bit thứ chín của ngăn xếp

Bảng 6: chức năng các BIT
•

FBD:

Là phương pháp lập trình khối hàm mô phỏng các lệnh và khối làm việc trong mạch

số. Các phần tử cơ bản trong phương pháp này là các khối lệnh được liên kết với
nhau
2.1.3. TẬP LỆNH S7-200:
Tập lệnh của S7-200 chia làm ba nhóm:
- Các lệnh mà khi thực hiện thì làm việc độc lập không phụ thuộc vào giá trị logic của
ngăn xếp.
- Các lệnh chỉ thực hiện khi bit đầu tiên của ngăn xếp có giá trị logic bằng 1.
- Các nhãn lệnh đánh dấu vị trí trong tập lệnh hay còn gọi là nhóm lệnh điều khiển
chương trình.
Cả ba phương pháp đều sử dụng ký hiệu I để chỉ các lệnh làm việc tức thời, tức là giá
trị được chỉ định trong lệnh vừa được chuyển vào thanh ghi ảo đồng thời được
Trang 24


Đồ án SCADA

Giáo viên HD:Hoàng Quốc Xuyên

chuyển ngay đến tiếp điểm được chỉ dẫn ngay trong lệnh ngay khi được thực hiện
chứ không phải chờ đến giai đoạn trao đổi với ngoại vi của vòng quét. Điều đó khác
với lệnh không tức thời là giá trị chỉ chuyển vào thanh ghi ảo khi thực hiện lệnh.
Các nhóm lệnh được cho trong cây lệnh của S7-200:
- Bit Logic: Tập lệnh làm việc với bit.
- Clock: Tập lệnh làm việc với thời gian của hệ thống.
- Communication: Tập lệnh truyền thông.
- Compare: Tập lệnh so sánh.
- Convert: Tập lệnh biến đổi.
- Counter: Tập các bộ đếm.
- Floating-Point Math: Tập lệnh toán học làm việc với số thực.
- Integer Math: Tập lệnh toán học làm việc với số nguyên.

- Interupt: Tập lệnh làm việc với chương trình ngắt.
- Logical Operations: Tập lệnh các phép tính logic biến đổi.
- Move: Tập lệnh di chuyển dữ liệu.
- Programe Control: Tập lệnh điều khiển chương trình.
- Shift/Rotate: Tập lệnh dịch/quay làm việc với thanh ghi.
- String: Tập lệnh làm việc với chuỗi.
- Table: Tập lệnh làm việc với bảng dữ liệu.
- Timers: Tập các bộ định thời gian
- Call Subroutin: Tập lệnh gọi các chương trình con.
Các lệnh cơ bản được sử dụng trong S7-200 (Các lệnh sau đây chỉ được mô tả cho
phương pháp lập trình LAD ):

•

Các lệnh làm việc với bit logic:
Trang 25