NGHIÊN cứu THIẾT kế hệ THỐNG điều KHIỂN PLC CHO THANG máy

TRANG PHỤ BÌA
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Họ và tên tác giả luận văn
VŨ ĐÌNH ĐẠT
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PLC CHO THANG MÁY

Chuyên ngành : CƠ ĐIỆN TỬ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. TS. Nguyễn Văn Huyến

Hà Nội – Năm 2012

1


MUC LUC
TRANG PHỤ BÌA...................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ.................................................................5
MỞ ĐẦU..................................................................................................................7
Chương 1 - TỔNG QUAN......................................................................................8
1.1 Tổng quan về thang máy..................................................................................................................... 8
1.1.1 Khái niệm chung về thang máy..............................................................................................................8
1.1.2 Lịch sử ra đời và phát triển....................................................................................................................9
1.1.3 Cấu tạo cơ bản của thang máy...............................................................................................................9
1.1.4 Hệ thống mạch điện của thang máy....................................................................................................12
1.1.5 Phân loại thang máy.............................................................................................................................13

1.2 Tổng quan về PLC S7-300................................................................................................................... 14
1.2.1 Cấu trúc và nguyên lí làm việc của bộ PLC...........................................................................................14
1.2.2 Cấu trúc chung của một bộ điều khiển PLC S7-300.............................................................................18
1.2.3 Kỹ thuật lập trình với PLC S7-300.........................................................................................................25
1.3 Mô tả hệ thống thang máy............................................................................................................... 30

Chương 2 - DỒN KÊNH VÀ PHÂN KÊNH TÍN HIỆU VÀO RA....................31
2.1 Phân tích tín hiệu vào ra cho bộ điều khiển thang máy......................................................................31
2.2 Mạch dồn kênh (Multiplexer) tín hiệu vào......................................................................................... 32
2.1.1 Nguyên lý chung...................................................................................................................................32
2.1.2 Thiết kế mạch.......................................................................................................................................33
2.2 Mạch phân kênh(Demultiplexer) tín hiệu ra......................................................................................36
2.2.1 Nguyên lý chung...................................................................................................................................36
2.2.2 Thiết kế mạch.......................................................................................................................................36
2.3 Bộ chuyển đổi tín hiệu...................................................................................................................... 39
2.3.1 Bộ nguồn 5V.........................................................................................................................................39
2.3.2 Bộ chuyển đổi 5V-24V..........................................................................................................................40
2.3.3 Bộ chuyển đổi 24V-5V..........................................................................................................................41

2


Chương 3 - HÀM ĐIỀU KHIỂN..........................................................................42
3.1 Yêu cầu sử dụng và nguyên tắc điều khiển thang...............................................................................42
3.1.1 Yêu cầu sử dụng thang máy.................................................................................................................42
3.1.2 Nguyên tắc điều khiển thang...............................................................................................................45
3.1.2 Lý thuyết hàng đợi...............................................................................................................................45
3.2 Điều khiển thang máy 4 tầng............................................................................................................. 49
3.2.1 Định nghĩa các tín hiệu vào ra được sử dụng cho thang máy.............................................................50
3.2.2 Định nghĩa các hàm dùng điều khiển thang máy.................................................................................50

3.2.3 Xây dựng các hàm điều khiển thang máy............................................................................................50
3.3 Điều khiển thang máy 60 tầng........................................................................................................... 51
3.4 Điều khiển hệ thống 2 thang máy 60 tầng.......................................................................................... 52

Chương 4 – CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ.........................53
4.1 Giới thiệu chương trình STEP 7......................................................................................................... 53
4.2 Điều khiển dồn kênh tín hiệu vào...................................................................................................... 60
4.3 Điều khiển phân kênh tín hiệu ra....................................................................................................... 62
4.4 Chương trình điều khiển cho hệ thống.............................................................................................. 64
4.5 Kiểm nghiệm kết quả........................................................................................................................ 67
4.5.1 Kiểm tra độc lập từng thang................................................................................................................67
4.5.2 Kiểm tra đồng thời hệ thống 2 thang...................................................................................................68
4.5.3 Đánh giá tổng quát...............................................................................................................................68

KẾT LUẬN CHUNG............................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................70
PHỤ LỤC............................................................................................................... 71

3


LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Vũ Đình Đạt, học viên lớp Cao học 11BCĐT.KH. Sau gần hai năm học
tập nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là sự giúp đỡ của
giao viên hướng dẫn tốt nghiệp TS. Nguyễn Văn Huyến, tôi đã đi đến cuối chặng
đường để kết thúc khóa học.
Tôi đã quyết dịnh chọn đề tài tốt nghiệp là:"Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều
khiển PLC cho thang máy". Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá
nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Huyến, và chỉ tham khảo các tài
liệu đã được liệt kê. Tôi không sao chép công trình của các cá nhân khác dưới bất

cứ hình thức nào. Nếu có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Người cam đoan

Vũ Đình Đạt

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu và bố trí thiết bị của thang máy
Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc chung của PLC
Hình 1.3 Quá trình hoạt động của một vòng quét
Hình 1.4 Cấu trúc chung của một bộ điều khiển PLC
Hình 1.5 Modul nguồn (PS)
Hình 1.6 Modul CPU
Hình 1.8 Module vào số DI
Hình 1.9 Module ra số DO
Hình 1.10 Module ra Analog(AO)
Hình 1.11 Module chức năng (FM)
Hình 1.12 Module truyền thông (CP)
Hình 1.13 Quan hệ CPU và Modul mở rộng
Hình 1.14 Các chế độ làm việc và hiển thị
Hình 1.15 Sơ đồ khối kiểu lập trình tuyến tính
Hình 1.16 Sơ đồ kiểu lập trình có cấu trúc
Hình 1.17 Mô tả hệ thống 4 thang máy
Hình 2.1 Mô tả giao diện của thang máy
Hình 2.2 Nguyên lý dồn kênh tín hiệu vào
Hình 2.3 Mạch dồn kênh tín hiệu vào
Hình 2.4 Hình dạng IC dồn kênh 74150N
Hình 2.5 Hình dạng IC dồn kênh 74150N

Hình 2.6 Bộ phân kênh tín hiệu ra
Hình 2.7 Mạch phân kênh tín hiệu ra
Hình 2.8 Hình dạng IC phân kênh 74AC138N
Hình 2.9 Hình dạng IC phân kênh 74154N
Hình 2.10 Mạch nguồn 5V
Hình 2.11 Hình dạng và sơ đồ chân IC7805
Hình 2.12 Mạch chuyển đổi 5V-24V
5


Hình 2.13 Hình dạng và sơ đồ chân PC817
Hình 2.14 Mạch chuyển đổi 24V-5V
Hình 2.15 Hình dạng và sơ đồ chân PC817
Hình 3.1 Sử dụng thang máy từ bên ngoài buồng thang
Hình 3.2 Sử dụng thang máy từ bên trong buồng thang
Hình 3.3 Lưu đồ tổng quát chương trình điều khiển hệ
Hình 4.1 Mở
một
Project
thống
thang
máymới
Hình 4.2 Đặt tên cho một Project mới
Hình 4.3 Mở một Project đã có
Hình 4.4 Biểu tượng một Project mới
Hình 4.5 Khai báo cấu hình cứng cho trạm PLC
Hình 4.6 Màn hình khai báo cấu hình cứng cho tạm PLC
Hình 4.7 Thư viện để lấy các Modul
Hình 4.8 Soạn thảo chương trình trong OB1
Hình 4.9 Xóa chương trình

Hình 4.10 Quan sát quá trình hoạt động
Hình 4.11 Quan sát nội dung của ô nhớ
Hình 4.12 Lưu đồ điều khiển dồn kênh
Hình 4.12 Lưu đồ điều khiển dồn kênh
Hình 4.13 Lưu đồ điều khiển phân kênh
Hình 4.14 Cách sử dụng hàm AND
Hình 4.15 Cách sử dụng hàm OR
Hình 4.16 Cách sử dụng hàm NOT
Hình 4.17 Giao diện mô phỏng

6


MỞ ĐẦU
- Lý do chọn đề tài
Trong xu thế phát triển hạ tầng đô thị và nhà ở hiện nay, thang máy là một
phương tiện vận chuyển hiệu quả và ngày càng được ưa chuộng. Để có một hệ
thống tháng máy về cơ bản cần hai phần cơ khí và điều khiển. Về mặt cơ khí nói
chung đã có được những thiết kế chuẩn với hình dạng và cấu tạo phù hợp với yêu
cầu sử dụng. Còn về điều khiển tuy đã có được những bước tiến tương ứng nhưng
vẫn còn nhiều mặt cần phải nghiên cứu, hệ thống điều khiển cần được thiết kế nhỏ
gọn hơn, điều khiển thông tối ưu hơn để vừa đảm bảo sự tiện dụng, hiệu quả và tiết
kiệm chi phí. Với lý đó đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển PLC cho
thang máy” đã được chọn.
- Lịch sử nghiên cứu
Đã có những nghiên cứu về phương pháp điều khiển thông minh cho một
thang máy nhiều tầng. Nghiên cứu kết nối, tích hợp nhiều bộ điều khiển PLC để
thực hiện việc điều khiển cho thang máy khi yêu cầu đầu vào và đầu ra vượt quá số
chân đáp ứng của PLC. Nghiên cứu về bộ phân kênh dồn kênh dùng phương pháp
quét cho hệ thống cần nhiều đầu tín hiệu vào ra.

- Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
+ Mục đích: Thiết kế phần cứng nhỏ gọn (chỉ dùng một PLC S7-300) xây
dựng chương trình điều khiển được tối ưu về quãng đường di chuyển của hệ thống
thang máy.
+ Đối tượng: Mạch dồn kênh tín hiệu vào và phân kênh tín hiệu ra, chương
trình điều khiển tối ưu điều khiển hệ thống thang máy.
+ Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu cho hệ thống 2 thang máy 60 tầng.
- Tót tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Phân tích, thống kê tổng quát các tín hiệu vào ra cho cả một hệ thống gồm
hai thang máy.Thiết kế mạch dồn kênh và phân kênh cho số đầu vào ra lớn. Xây
dựng hàm điều khiển tối ưu về quãng đường di chuyển của thang máy.
- Phương pháp nghiên cứu
+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích tổng hợp các nguồn tài liệu
từ sách, tài liệu lưu trữ và Internet.
+ Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế, lập trình mô phỏng trên
phần mềm.
7


Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về thang máy
1.1.1 Khái niệm chung về thang máy
Thang máy là một thiết bị chuyên dụng để vận chuyển người, hàng hoá theo
phương thẳng đứng . Thang máy được dùng trong các công sở, khách sạn, chung
cư, biệt thự, các đài quan sát, tháp truyền hình, trong các nhà máy. Đặc điểm vận
chuyển thang máy là thời gian của một chu kỳ vận chuyển bé, tần suất vận chuyển
lớn, đóng mở máy liên tục. Ngoài ra thang máy còn là một yếu tố làm tăng vẻ đẹp
và tiện nghi của công trình. Thang máy là thiết bị vận chuyển đòi hỏi tính an toàn
nghiêm ngặt nó liên quan trực tiếp đến tài sản, tính mạng con người. Do vậy khi
thiết kế phải tuân thủ một cách nghiêm ngặt các yêu cầu về kỹ thuật an toàn được

quy định trong tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm.
8


Thang máy không chỉ đẹp, sang trọng, thông thoáng mà còn phải có đầy đủ
các thiết bị an toàn, đảm bảo độ tin cậy như: điện chiếu sáng dự phòng khi mất điện,
điện thoại nội bộ, chuông báo, bộ hãm bảo hiểm, an toàn cabin, công tắc an toàn
cửa cabin, khoá an toàn cửa tầng, bộ cứu hộ khi mất điện nguồn.
1.1.2 Lịch sử ra đời và phát triển
Cuối thế kỷ 19, trên thế giới mới chỉ có một vài hãng thang máy ra đời như:
OTIS (Mỹ); SCHINDLER (Thụy Sĩ). Năm 1853, hãng thang máy OTIS đã chế tạo
và đưa vào sử dụng chiếc thang máy đầu tiên trên thế giới. Đến năm 1874, hãng
thang máy SCHINDLER cũng đã chế tạo thành công những thang máy khác. Lúc
đầu bộ tời kéo chỉ có một tốc độ, cabin có kết cấu đơn giản, cửa tầng đóng mở bằng
tay, tốc độ di chuyển của cabin thấp. Đầu thế kỷ 20, có nhiều hãng thang máy khác
ra đời như: KONE (Phần Lan); MISUBISHI, NIPPON, ELEVATOR (Nhật Bản);
THYSEN (Đức); SABIEM (ý); v..v.. đã chế tạo các loại thang máy có tốc độ cao,
tiện nghi trong cabin tốt và êm hơn. Vào đầu những năm 1970, thang máy đã chế
tạo đạt tới tốc độ 450(m/ph), những thang máy chở hàng đã có tải trọng nâng tới 30
tấn, đồng thời cũng trong khoảng thời gian này đã có những thang máy thủy lực ra
đời. Sau một khoảng thời gian rất ngắn với tiến bộ của các ngành khoa học khác,
tốc độ thang máy đã đạt tới 600(m/ph). Vào những năm 1980, đã xuất hiện hệ thống
điều khiển động cơ mới bằng phương pháp biến đổi điện áp và tần số VVVF
(Inverter). Thành tựu này cho phép thang máy hoạt động êm hơn, tiết kiệm được
khoảng 40% công suất động cơ. Đồng thời, cũng vào những năm này đã xuất hiện
loại thang máy dùng điện cảm ứng tuyến tính. Đầu những năm 1990, trên thế giới
đã chế tạo những thang máy có tốc độ đạt tới 750(m/ph) và các thang máy có tính
năng kỹ thuật đặc biệt khác.
1.1.3 Cấu tạo cơ bản của thang máy
Trong giếng thang bao gồm : tầng hầm 11 (khoảng trống kể từ đáy giếng

thang đến phần dưới cùng của buồng thang). Tầng hầm là phần nền móng cho các
thanh ray. Đây là phần chịu toàn bộ trọng lượng của kết cấu thang máy, trọng lượng
thang máy, đối trọng và tải trọng tối đa nên ta phải xử lí phần móng và nền móng
9


thật tốt để tránh lún, rạn gây mất trọng tâm cho buồng thang, ảnh hưởng đến hành
trình lên xuống của buồng thang, nhất là khi đầy tải. Vì buồng thang được trượt trên
các thanh ray 9 theo phương thẳng đứng. Trong tầng hầm còn có cơ cấu lò xo có tác
dụng khi thang máy hạ xuống tầng 1, được giảm chấn, hạn chế va chạm cơ khí giúp
thang dừng được nhẹ nhàng. Tầng hầm có chiều cao từ 1,5 tới 2(m) để thuận tiện
cho công việc sửa chữa và bảo dưỡng. Phía trên tầng hầm là toàn bộ phần thân
chính của giếng thang.
Phòng máy là nơi đặt tủ điều khiển động cơ nâng hạ buồng thang, là nơi có
tác dụng như xà treo, nên khi thang đầy tải nó phải gánh một trọng lực rất lớn nên ta
cũng phải tính toán phần kết cấu bê tông đủ lớn để tránh gẫy sập. Phòng máy được
lắp đặt ở nơi cao nhất trong going thang. Giếng thang chạy suốt từ tầng 1 đến tầng
trên cùng có kích thước phù hợp để lắp ghép thanh dẫn hướng cho buồng thang,
ngoài ra dọc giếng thang còn lắp các thiết bị bảo vệ và đèn chiếu sáng. Thanh ray 9
thường làm bằng thép chịu lực tốt, có hình dáng kích thước phù hợp để dẫn hướng
chuẩn và tạo điểm tì của cơ cấu phanh khi phanh dừng buồng thang.

10


Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu và bố trí thiết bị của thang máy
Để nâng hạ buồng thang người ta dùng động cơ 6. Động cơ này được nối
trực tiếp với cơ cấu nâng hoặc qua hộp giảm tốc. Nếu nối trực tiếp, buồng thang
11

được treo trên puli quấn cáp. Khi nối gián tiếp thì giữa puli quấn cáp và động cơ có
lắp hộp giảm tốc 5. Khung của buồng thang 3 được treo trên puli quấn cáp kim loại
4. Buồng thang luôn được giữ theo phương thẳng đứng nhờ có giá treo 7. Và những
con trượt dẫn hướng (con truợt là loại puli trượt có bọc cao su bên ngoài). Buồng
thang có trang bị bộ phanh bảo hiểm, Phanh bảo hiểm giữ buồng thang tại chổ khi
đứt cáp, mất điện và khi tốc độ di chuyển buồng thang vượt quá 20 ữ 40% tốc độ
định mức. Phanh bảo hiểm thường được chế tạo theo 3 kiểu:
- Phanh bảo hiểm kiểu nêm.
- Phanh bảo hiểm kiểu lệch tâm.
- Phanh bảo hiểm kiểu kìm.
Trong 3 loại phanh bảo hiểm trên phanh bảo hiểm kiểu kìm có tính năng kĩ
thuật ưu việt hơn, nó đảm bảo tác động nhanh nhưng dừng vẫn êm buồng thang, vì
vậy nó được sử dụng rộng rãi hơn. Phanh bảo hiểm thường được lắp phía dưới
buồng thang, gọng kìm trượt theo thanh dẫn hướng khi tốc độ của buồng thang bình
thường. Nằm giữa hai cánh tay đòn của kìm có nêm gắn với hệ truyền động bánh
vít, trục vít. Hệ truyền động trục vít có 2 loại ren: ren trái và ren phải. Cùng với kết
cấu của phanh bảo hiểm, buồng thang có trang bị thêm cơ cấu hạn chế tốc độ kiểu li
tâm. Khi buồng thang di chuyển sẽ làm cho cơ cấu hạn chế tốc độ kiểu li tâm quay.
Khi tốc độ di chuyển của buồng thang tăng, cơ cấu đai truyền sẽ làm cho tang quay
và kìm sẽ ép chặt buồng thang vào thanh dẫn hướng và hạn chế tốc độ của buồng
thang.
1.1.4 Hệ thống mạch điện của thang máy
1. Mạch động lực
Là hệ thống điều khiển cơ cấu dẫn động thang máy để đóng mở cửa buồng
thang,đảo chiều cơ cấu dẫn động và phanh của bộ tời kéo. Hệ thống phải đảm bảo
việc điều chỉnh tốc độ chuyển động của cabin sao cho quá trình mở máy và phanh
được êm dịu và dừng cabin chính xác.
2. Mạch điều khiển
Là hệ thống điều khiển tầng có tác dụng thực hiện một chương trình điều

khiển phức tạp, phù hợp với chức năng yêu cầu của thang máy. Hệ thống điều khiển
tầng có nhiệm vụ lưu trữ các lệnh di chuyển từ cabin, các lệnh gọi tầng của hành
12


khách và thực hiện các lệnh di chuyển hoặc dừng theo một thứ tự ưu tiên nào đó,
sau khi thực hiện xong lệnh điều khiển thì xoá bỏ, xác định và ghi nhận thường
xuyên vị trí cabin và hướng chuyển động của nó. Tất cả các hệ thống điều khiển tự
động đều dùng nút ấn.
3. Mạch tín hiệu
Là hệ thống các đèn tín hiệu với các ký hiệu đã thống nhất hoá để báo hiệu
trạng thái của thang máy, vị trí và hướng chuyển động của cabin.
4. Mạch chiếu sáng
Là hệ thống đèn chiếu sáng cho cabin, buồng máy và hố thang
5. Mạch an toàn
Là hệ thống các công tắc, rơ le ,tiếp điểm nhằm đảm bảo an toàn cho người,
hàng hoá và thang máy khi hoạt động. Mạch an toàn tự động ngắt điện đến mạch
động lực để dừng thang hoặc không cho phép thang hoạt động trong các trường hợp
như : mất điện, quá tải, cáp trùng, đứt cáp, tốc độ cabin vượt quá giới hạn, cửa cabin
chưa đóng hẳn,...
1.1.5 Phân loại thang máy
Thang máy hiện nay đã được thiết kế và chế tạo rất đa dạng, với nhiều kiểu,
loại khác nhau để phù hợp với mục đích sử dụng của từng công trình. Có thể phân
loại thang máy theo các nguyên tắc và đặc điểm sau:
1. Theo công dụng
- Thang máy chuyên chở người
- Thang máy chuyên chở người có tính đến hàng hoá đi kèm
- Thang máy chuyên chở bệnh nhân
- Thang máy chuyên chở hàng không có người đi kèm
2. Theo tốc độ di chuyển của cabin

- Thang máy tốc độ thấp v ≤ 0.5m/s
- Thang máy tốc độ trung bình 0.75 ≤ v ≤ 1.5m/s
- Thang máy tốc độ siêu cao v=5m/s thường dùng cho toà tháp cao tầng
3. Theo tải trọng
- Thang máy loại nhỏ : Q <500 Kg
- Thang máy loại trung bình : Q = 500 ÷ 1000 Kg
- Thang máy loại lớn : Q = 1000 ÷ 1600 kg
- Thang máy loại rất lớn Q > 1600 Kg
4. Theo hệ thống vận hàn
a. Theo mức dò tự động
- Loại nửa tự động
- Loại tự động
b. Theo tổ hợp điều khiển
13


- Điều khiển đơn
- Điều khiển kép
- Điều khiển theo nhóm
c. Theo vị trí điều khiển
- Điều khiển trong cabin
- Điều khiển ngoài cabin
- Điều khiển cả trong và ngoài cabin

1.2 Tổng quan về PLC S7-300
PLC (Programmable Logic Controller hay programmable Controller) là một
cụm từ chỉ đến các thiết bị điều khiển công nghiệp. Những thiết bị này được lập
trình logic là chủ yếu và có thể kết hợp với điều khiển số, tạo lên hệ thống điều
khiển tự động hoàn chỉnh.
1.2.1 Cấu trúc và nguyên lí làm việc của bộ PLC

1. Cấu trúc chung
PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Program Logic Control), là loại
thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thống qua một
ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch logic. Cũng
như các thiết bị lập trình khác, hệ thống lập trình cơ bản của PLC bao gồm các phần
chính: khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit), Bộ nhớ (Memory), hệ
thống giao tiếp vào/ra (I/O) và hệ thống Bus:

Nguån

Đầu vào,
cảm biến,
công tắc..

Giao
tiếp
ngõ

Khối

xử

lý

trung tâm
Bộ nhớ

14

Đầu ra, cuộn

dây, mô
tơ…


Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc chung của PLC
a. Khối xử lý trung tâm
Là một bộ xử lý điều khiển tất cả các hoạt động của PLC như: Thực hiện
chương trình, xử lý vào/ra và truyền thông với các thiết bị bên ngoài.
b. Bộ nhớ
Có nhiều các bộ nhớ khác nhau dùng để chứa chương trình hệ thống là một
phần mềm điều khiển các hoạt động của hệ thống, sơ đồ LAD, trị số của Timer,
Counter được chứa trong vùng nhớ ứng dụng, tùy theo yêu cầu của người dùng có
thể chọn các bộ nhớ khác nhau:
- Bộ nhớ ROM: là loại bộ nhớ không thay đổi được, bộ nhớ này chỉ nạp được
một lần nên ít được sử dụng phổ biến như các loại bộ nhớ khác .
- Bộ nhớ RAM: là loại bộ nhớ có thể thay đổi được và dùng để chứa các
chương trình ứng dụng cũng như dữ liệu, dử liệu chứa trong Ram sẽ bị mất khi mất
điện. Tuy nhiên, điều này có thể khắc phục bằng cách dùng Pin.
- Bộ nhớ EPROM: Giống như ROM, nguồn nuôi cho EPROM không cần
dùng Pin, tuy nhiên nội dung chứa trong nó có thể xoá bằng cách chiếu tia cực tím
vào một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó nạp lại nội dung bằng máy nạp.
- Bộ nhớ EEPROM: kết hợp hai ưu điểm của RAM và EPROM, loại này có
thể xóa và nạp bằng tín hiệu điện. Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn.
c. Tín hiệu vào
Mức độ thông minh của một hệ thống điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào khả
năng của PLC đáp ứng được với sự thay đổi của môi trường thông qua các tín hiệu
thay đổi được đưa vào PLC, gọi là tín hiệu đầu vào.
Tiêu biểu cho các thiết bị nhập bằng tay như : Nút ấn, bàn phím và chuyển
mạch. Mặt khác, để đo, kiểm tra chuyển động, áp suất, lưu lượng chất lỏng ... PLC
phải nhận các tín hiệu từ các cảm biến. Ví dụ : Tiếp điểm hành trình, cảm biến

quang điện ... tín hiệu đưa vào PLC có thể là tín hiệu số (Digital) hoặc tín hiệu
tương tự (Analog), các tín hiệu này được giao tiếp với PLC thông qua các Modul
nhận tín hiệu vào khác nhau khác nhau DI (vào số) hoặc AI (vào tương tự)....
15


d. Tín hiệu ra
Một hệ thống điều khiển sẽ không có ý nghĩa thực tế nếu không giao tiếp
được với thiết bị ngoài, các thiết bị ngoài thông dụng như: Môtơ, van, Rơle, đèn
báo, chuông điện,... cũng giống như thiết bị vào, các thiết bị ngoài được nối đến các
cổng ra của Modul ra (Output). Các Modul ra này có thể là DO (Ra số) hoặc AO (ra
tương tự).
e. Hệ thống Bus
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường
tín hiệu song song :
Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau.
Data Bus : Bus dùng để truyền dữ liệu.
Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu
khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC.
Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra
thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho
phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song.
Nếu một modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus , nó sẽ
chuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8
đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ
Data bus. Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt
động của PLC.
Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời
gian hạn chế.
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O.

Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1(8 MHZ. Xung này
quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ
của hệ thống.
2. Nguyên lý làm việc của PLC
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra
chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong
chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới
các thiết bị liên kết để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó điều phụ thuộc
vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.
16


PLC thực hiện các công việc (bao gồm cả chương trình điều khiển) theo chu
trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (scancycle). Mỗi vòng quét được
bắt đàu bằng việc 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. 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 xử lý các yêu cầu truyền thông (nếu có) và
kiểm tra trạng thái của CPU. Mỗi vòng quét có thể mô tả như sau:
TruyÒn th«ng vµ
kiÓm tra néi bé

TruyÒn d÷ liÖu tõ
cæng vµo tíi I

Vßng quÐt
ChyÓn d÷ liÖu
tõ Q tíi cæng
ra

Thùc hiÖn
ch­¬ng tr×nh

Hình 1.3 Quá trình hoạt động của một vòng quét
Chú ý : Bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tương tự nên các
lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không
thông qua bộ đệm.
Thời gian cần thiết để cho PLC thực hiện được một vòng quét được gọi là
thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, tức là không
phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Có
vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số
lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu truyền thông. Trong
vòng quét đó .
Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín
hiệu điều khiển đến 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.

17


Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ khối OB40,
OB80,... Chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện trong vòng quét khi xuất
hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại. Các khối chương trình này có thể thực hiện
tại mọi vòng quét chứ không phải bị gò ép là phải ở trong giai đoạn thực hiện
chương trình. Chẳng hạn một tín hiệu báo ngẵt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn
truyền thông và kiểm tra nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công việc truyền thông, kiểm tra,
để thực hiện ngắt như vậy, 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, thông thường lệnh không làm việc trực
tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ nhớ đệm của cổng trong vùng nhớ tham
số. Việc truyền thông giữa bộ đêm ảo với ngoại vi trong giai đoạn 1 và 3 do hệ điều
hành CPU quản lý. ở một số modul 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 với
cổng vào/ra.

1.2.2 Cấu trúc chung của một bộ điều khiển PLC S7-300
S7-300 là PLC cỡ vừa của hãng Siemens. Gồm CPU và các module xếp trên
thanh rack. Mỗi rack chứa 8 module max (trừ CPU và nguồn). Mỗi CPU làm việc
với 4 rack max.

18


Hình 1.4 Cấu trúc chung của một bộ điều khiển PLC
Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển thì PLC phải có tính
năng như một máy tính.Đồng thời để thực hiện được một chương trình điều khiển
thì PLC phải có tính năng như một máy tính bao gồm một bộ vi xử lý (CPU), một
hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào ra để
giao tiếp với đối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh.
Ngoài ra để phục vụ bài toán điều khiển số thì PLC còn cần phải có thêm các khối
chức năng đặc biệt như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer),và những khối hàm
chuyên dụng khác.Một bộ PLC S7-300 gồm các mdule sau:
- Đơn vị xử lý trung tâm CPU với bộ nhớ chương trình (Module CPU)
- Module mở rộng
- Module hoạt động và đèn báo

- Hệ thống bus truyền tín hiệu
- Khối cấp nguồn
1. Modul nguồn

19


Hình 1.5 Modul nguồn (PS)
2. Modul 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 còn có thể có một vài cổng vào/ ra số. Các
cổng vào/ra số có trên module CPU được gọi là cổng vào ra onboard. Trong họ PLC
S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau nhưng chúng thường được đặt tên theo bộ vi
xử lý có trong nó như module CPU312, module CPU314, module CPU315. Những
module còn sử dụng một 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 việc 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 cái IFM ( viết tắt của intergrated Function Module). Ví dụ
như module CPU312 IFM, module CPU314 IFM ngoài ra còn có các loại CPU với
hai cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là
phục vụ việc nối mạng phân tán. Kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những
phần mềm tiện dụng thích hợp cũng đã được cài đặt sẵn trong hệ điều hành. Các
loại module CPU này được phân biệt với các module CPU bằng thêm cụm từ chữ
cái DP ( Distributed Port) trong tên gọi, ví dụ: module CPU314-2DP.

20


Hình 1.6 Modul CPU
CPU 312FM : Bộ nhớ làm việc 6KB,tích hợp sẵn 10 DI/6DO.

CPU 314 : Bộ nhớ làm việc 24KB.
CPU 314C-2DP: Bộ nhớ làm việc 48KB,tích hợp sẵn 24DI/16DO;5AI/2AO, 4 xung
xuất xung tốc độ cao ,4 kênh đọc xung tốc độ cao và 2cổng giao tiếp.
CPU 314C-2PtP: Bộ nhớ làm việc 48KB,tích hợp sẵn 24DI/16DO;5AI/2AO ,4
xung xuất xung tốc độ cao ,4 kênh đọc xung tốc độ cao và 2cổng giao tiếp.
3. Modul mở rộng
Các module mở rộng được chia thành 5 loại chính:
a. PS (Power Supply)
Module nguồn nuôi có 3 loại là 2A, 5A và 10A.

Hình 1.7 Modul nguồn
b. SM (Signal module)
Module mở rộng cổng tín hiệu vào ra gồm các loại sau:
21


- DI (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào ra số, số các cổng vào số
mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module.

- DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng vào ra số, số các cổng ra số
mở rộng có thể là 8,16 hoặc 32 tuỳ thuộc từng loại module.
Hình 1.8 Module vào số DI

- 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/ 8 ra hoặc 16 vào/ 16 ra tuỳ thuộc
Hình 1.9 Module ra số DO
từng loại module.
- AI (Analog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản chất
chúng chính là những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bit (AD). Số các cổng vào
tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ thuộc từng loại module.

- AO (Analog Output): Module mở rộng các cổng ra tương tự. Về bản chất
chúng chính là bộ chuyểnHình
đổi tương
tự số 12ra
bítAnalog(AO)
(AD). Số các cổng vào tương tự có
1.10 Module
thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ từng loại module.

22


- AI/AO (Analog Input/Analog Output): Module mở rộng các cổng vào/ra
tương tự. Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/ 2 ra hoặc 4 vào/ 4 ra tuỳ từng
loại module.
c. IM (Interface Module)
IM, hay còn gọi là Modul ghép nối. Đây là loại module chuyên dụng có
nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối và được
quản lý chung bởi một module CPU. Thông thường các module mở rộng được gá
liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là Rack. Trên mỗi một Rack chỉ gá nhiều nhất 8
module mở rộng ( không kể module CPU, module nguồn nuôi). Một module CPU
S7-300 có thể làm việc trực tiếp được với nhiều nhất 4 Rack và các Rack này được
nối với nhau bằng module IM.
d. FM (Function Mouule)
Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ như module điều khiển động cơ
bước, module điều khiển động cơ servo, module PID, module điều khiển vòng kín.

e. CP (Communication Module)
Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa

Hình 1.11 Module chức năng (FM)
PLC với máy tính.

23
Hình 1.12 Module truyền thông (CP)


Hình 1.13 Quan hệ CPU và Modul mở rộng
4. Modul hoạt động và đèn báo

Đèn báo trạng thái
Card nhớ
Nút chọn kiểu làm việc
Đầu nối 24V
Cổng giao tiếp MPI
Ngăn để pin
a. Module hoạt động
Run_P: Chạy chương trình,đọc ghi được từ máy lập trình.
Run : Chạy chương trình,không đọc ghi
Stop : Dừng chương trình
Hình 1.14 Các chế độ làm việc và hiển thị
Mres: Rết hệ thống
b. Đèn báo trạng thái
SF: Lỗi hệ thống
Batf: Lỗi hết pin hoặc không có pin
DC5V: Báo nguồn 5V
Frce: Báo lỗi chức năng 1 trong các khối I/O
Run: Nhấp nháy khi khởi động và sáng khi hoạt động
Stop: Sáng khi dừng,chớp khi yêu cầu reset,chớp nhanh khi đang reset

24


1.2.3 Kỹ thuật lập trình với PLC S7-300
1.Lập trình tuyến tính và lập trình có cấu trúc
Phần bộ nhớ của CPU dành cho chương trình ứng dụng có tên gọi là logic
Block. Như vậy logic block là tên chung để gọi tất cả các khối bao gồm những khối
chương trình tổ chức OB, khối chương trình FC, khối hàm FB. Trong các loại khối
chương trình đó thì chỉ có khối duy nhất khối OB1 được thực hiện trực tiếp theo
vòng quét. Nó được hệ điều hành gọi theo chu kỳ lặp với khảng thời gian không
cách đều nhau mà phụ thuộc vào độ dài của chương trình. Các loại khối chương
trình khác không tham gia vào vòng quét.
Với tổ chức chương trình như vậy thì phần chương trình trong khối OB1 có
đầy đủ điều kiện của một chương trình điều khiển thời gian thực và toàn bộ chương
trình ứng dụng có thể chỉ cần viết trong OB1 là đủ như hình vẽ sau. Cách tổ chức
chương trình với chỉ một khối OB1 duy nhất như vậy được gọi là lập trình tuyến
tính.
OB10 Nghắt ở thời
điểm định trước

OB1 thực
hiện theo
25
OB82 Modul chuẩn đoán
lỗi

vòng quét