Thiết kế hệ thu thập điều khiển và giám sát thông số lưới điện

LỜI NÓI ĐẦU
Trong công nghiệp hóa hiện đại hoá đất nước, yêu cầu ứng dụng tự động
hoá ngày càng cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất (yêu cầu điều khiển tự
động, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ...). Mặt khác nhờ công nghệ thông tin, công
nghệ điện tử đã phát triển nhanh chóng làm xuất hiện một loại thiết bị điều khiến
khả trình PLC nhằm thực hiện công việc một cách khoa học nhằm đạt được số
lượng sản phẩm lớn, nhanh, chất lượng cao mà lại giảm chi phí kinh tế.
Dây chuyền sản xuất tự động PLC giảm sức lao động của công nhân mà
sản xuất lại đạt hiệu quả cao đáp ứng kịp thời cho đời sống xã hội. Để đáp ứng
được điều đó thì nhu cầu điện năng cung cấp cho các công ty, xí nghiệp là rất
lớn. Do vậy, việc tiết kiệm điện năng là rất cần thiết, để tiết kiệm điện năng ta
cần một hệ thống giám sát nó.
Để chúng em nâng cao kiến thức về ngành điện, nhà trường, khoa đã tạo
điều kiện cho chúng em được làm đồ án tốt nghiệp trước khi kết thúc khóa học.
Đồ án tốt nghiệp đối với chúng em là một sự tập dượt quý báu trước khi bước
vào thực tế khó khăn. Đề tài mang tên “Thiết kế hệ thu thập điều khiển và
giám sát thông số lưới điện”.
Trong suốt thời gian làm đồ án với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo
trong Khoa Điện – Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, và đặc biệt là sự
hướng dẫn tận tình, chi tiết của thầy giáo Nguyễn Bá Khá đã giúp đỡ chúng em
rất nhiều để có thể hoàn thành bản đồ án này.
Xin gửi tới thầy giáo Nguyễn Bá Khá cùng toàn thể các thầy cô giáo trong
khoa Điện lời cảm ơn chân thành nhất!
Hà Nội, ngày 21 tháng 04 năm 2018
Nhóm đồ án

1


*Tính cấp thiết của đề tài:
Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, hệ thống lưới truyền tải, lưới phân

phối và các phụ tải tiêu thụ điện. Chúng gắn bó với nhau thành một thể thống
nhất, nếu bị phá vỡ thì sẽ xảy ra những hậu quả nặng nề toàn hệ thống và quá
trình sản xuất của các công ty, xí nghiệp bị ngưng đọng gây ảnh hưởng không
nhỏ đến nền kinh tế quốc dân. Do vậy đòi hỏi một sự quản lý, giám sát, điều
khiển vận hành an toàn, tin cậy cho toàn hệ thống. Một trong những hệ thống trợ
giúp đắc lực cho việc giám sát, điều khiển đó là hệ thống điều khiển giám sát và
thu thập dữ liệu SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition).
*Mục đích của đề tài:
Tìm hiểu được các đặc điểm về cấu tạo kỹ thuật và các tập lệnh cơ bản của
PLC S7-300, tiếp cận được với thiết bị và công nghệ bài toán thực tế, có thể vận
dụng kiến thức đã học để thiết kế hệ thu thập điều khiển và giám sát thông số
lưới điện.
*Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng vào giải quyết bài toán giám sát, điều khiển
với mô hình trong phòng thí nghiệm.
Đề tài gồm 3 chương chính như sau:
Chương I: Tổng quan về hệ thu thập đo lường điều khiển và giám sát
Chương II: Tổng quan về PLC S7-300 và phần mềm giám sát WinCC
Chương III: Thiết kế và xây dựng hệ thống giám sát thông số lưới điện
Trong quá trình nghiên cứu cũng như làm bài báo cáo đồ án do trình độ lý
luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên bài báo cáo khó tránh khỏi
những thiếu sót mong các thầy cô bỏ qua, chúng em rất mong nhận được những
ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô để hoàn thiện hơn về kiến thức cũng
như kinh nghiệm trong tương lai.

2


Nhận xét của giáo viên hướng dẫn
.................................................................................................................................

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
Hà nội, ngày

tháng

năm 2018

Giáo viên hướng dẫn

3


Nhận xét của hội đồng phản biện
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

4


.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

MỤC LỤ

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THU THẬP ĐO LƯỜNG
ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT...........................................................................11
1.1. Tổng quan hệ thu thập đo lường điều khiển và giám sát..........................11

1.2. Cấu trúc chung của hệ thu thập đo lường điều khiển và giám sát............13
1.3. Giao thức PROFINET..............................................................................15
CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300 VÀ
PHẦN MỀM GIÁM SÁT WINCC.....................................................................19
2.1. Tổng quan PLC S7-300............................................................................19
2.1.1.Các module của PLC S7-300.............................................................19
2.1.2. Các mode hoạt động..........................................................................22
2.1.3. Các kiểu dữ liệu.................................................................................23
2.1.4. Cấu trúc bộ nhớ.................................................................................23
2.1.5. Chu kỳ vòng quét của PLC S7-300...................................................25
2.1.6. Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng.........................26
2.1.7. Cấu trúc chương trình của PLC S7-300............................................27
2.1.8. Các khối OB đặc biệt.........................................................................28
2.1.9. Tập lệnh của PLC S7-300.................................................................29
2.2. Phần mềm SIMATIC Manager.................................................................37
2.3. Phần mềm WinCC....................................................................................41
CHƯƠNG III. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
GIÁM SÁT THÔNG SỐ LƯỚI ĐIỆN...............................................................45
5


Yêu cầu...........................................................................................................45
3.1. Sơ đồ khối hệ thống..................................................................................45
3.1.1. Lựa chọn thiết bị................................................................................46
3.1.2. Bảng địa chỉ và ra..............................................................................52
3.2. Sơ đồ đấu dây...........................................................................................53
3.3. Mạch đấu dây thực tế...............................................................................53
3.4. Lưu đồ thuật toán......................................................................................54
3.4.1. Lưu đồ chương trình chính................................................................54
3.4.2. Lưu đồ cảnh báo................................................................................54

3.4.3. Lưu đồ WinCC..................................................................................55
3.5. Các lệnh sử dụng......................................................................................55
3.6. Hiển thị trên WinCC.................................................................................61
3.6.1. Mô phỏng và hiển thị.........................................................................61
3.6.2. Hiển thị giá trị thực tế của mô hình...................................................68
Kết luận:..............................................................................................................69

6


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Mô hình phân cấp chức năng của hệ SCADA.....................................13
Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của một hệ SCADA...................................................14
Hình 2.1: Các khối trên một thanh rack của trạm PLC S7-300...........................19
Hình 2.2: Các Module tích hợp CPU của PLC S7-300.......................................20
Hình 2.3: Các module vào/ ra và mở rộng của PLC S7-300...............................21
Hình 2.4: Mặt trước CPU S7-300........................................................................22
Hình 2.5: Phân chia vùng nhớ S7-300.................................................................23
Hình 2.6: Vòng quét chương trình.......................................................................26
Hình 2.7: Trao đổi dữ liệu giữa CPU và Module mở rộng..................................27
Hình 2.8: Cấu trúc lập trình PLC S7-300............................................................27
Hình 2.9: Ví dụ ngôn ngữ STL............................................................................30
Hình 2.10: Ví dụ ngôn ngữ LAD.........................................................................30
Hình 2.11: Cấu trúc của một hệ thống sử dụng PLC...........................................37
Hình 2.12: Khởi tạo chương trình mới ...............................................................38
Hình 2.13: Chọn CPU cho PLC..........................................................................38
Hình 2.14: Chọn ngôn ngữ lập trình....................................................................38
Hình 2.15: Đặt tên cho chương trình mới............................................................39
Hình 2.16: Cửa sổ chương trình..........................................................................39
Hình 2.17: Chọn phần cúng cho PLC..................................................................39

Hình 2.18: Chọn giao thức kết nối......................................................................40
Hình 2.19: Chọn kiểu kết nối TCP/IP..................................................................40
Hình 2.20: Cửa sổ làm việc của WinCC..............................................................43
Hình 2.21: Thêm driver để liên kết với step7......................................................43
Hình 2.22: Chọn kiểu kết nối mới.......................................................................44
Hình 2.23: Tạo các nametag và gán địa chỉ.........................................................44
Hình 2.24: Tạo giao diện hiển thị trên WinCC....................................................44
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống.............................................................................45
Hình 3.2: Bộ chuyển đổi đo dòng điện................................................................46
Hình 3.3: Sơ đồ nối dây của bộ chuyển đổi AAC...............................................47
Hình 3.4: Sơ đồ hoạt động của bộ AAC..............................................................48
Hình 3.5: Bộ chuyển đổi đo điện áp....................................................................48
Hình 3.6: Sơ đồ nối dây bộ chuyển đổi VAC......................................................49
Hình 3.7: Sơ đồ hoạt động của bộ chuyển đổi VAC............................................50
Hình 3.8: Bộ chuyển đổi đọc thông số cos .........................................................50
Hình 3.9: Sơ đồ nối dây bộ chuyển đổi đo lường PF..........................................51
Hình 3.10: Sơ đồ hoạt động bộ chuyển đổi PF....................................................51
7


Hình 3.11: Động cơ Siemens 3 pha cỡ nhỏ.........................................................52
Hình 3.12: Sơ đồ đấu nối.....................................................................................53
Hình 3.13: Mạch đấu dây thực tế........................................................................53
Hình 3.14: Tạo các tagname sử dụng..................................................................61
Hình 3.15: Thư viện của thanh công cụ Standard...............................................62
Hình 3.16: Tạo bảng chữ trang trí cho giao diện.................................................62
Hình 3.17: Thư viện hộp thoại Smart objects......................................................62
Hình 3.18: Hộp thoại cấu hình I/O field..............................................................62
Hình 3.19: Các tags của project...........................................................................62
Hình 3.20: Các thông số lưới điện cần hiển thị...................................................64

Hình 3.21: Cửa sổ thư viện WinCC.....................................................................64
Hình 3.22: Thư viện của Alam Logging..............................................................65
Hình 3.23: Các dòng cảnh báo............................................................................65
Hình 3.24: Tạo hình đèn báo...............................................................................65
Hình 3.25: Thuộc tính đèn cảnh báo quá tải........................................................66
Hình 3.26: Chọn tag và đổi màu của đèn............................................................66
Hình 3.27: Mô phỏng bằng PLCSIM..................................................................67
Hình 3.28: Hệ thống hoạt động bình thường.......................................................67
Hình 3.29: Cảnh báo quá tải................................................................................68
Hình 3.30: Cảnh báo điện áp thấp hoặc quá cao.................................................68
Hình 3.31: Giá trị thực tế.....................................................................................68

8


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Thực hiện với số nguyên 16 bit..............................................................34
Bảng 2. Thực hiện với số nguyên 32 bit..............................................................35
Bảng 3. Thực hiện với số thực.............................................................................35
Bảng 4: Địa chỉ đầu vào......................................................................................52
Bảng 5: Địa chỉ đầu ra (hiển thị kết quả đo)........................................................52

9


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Giáo trình PLC S7-300 lý thuyết và ứng dụng – ThS. Nguyễn Xuân Quang
– nhà xuất bản TPHCM, 2006.
2. Điều khiển với SIMATIC S7-300 – Phan Xuân Minh & Nguyễn Doãn
Phước – nhà xuất bản Bách Khoa Hà Nội.

3. Bộ tài liệu Transducer – M-system Co., Ltd.
4. />5. Giáo trình Lý thuyết mạch điện – PGS.TS. Lê Văn Bảng – nhà xuất bản
Giáo Dục.
6. Hãng Siemens, SIMATIC’s Manual.

10


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THU THẬP ĐO LƯỜNG
ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
1.1. Tổng quan hệ thu thập đo lường điều khiển và giám sát
SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition là một hệ thống quản
lý tự động hóa trong công nghiệp với chức năng điều khiển giám sát và thu thập
dữ liệu. Khởi nguồn của hệ thống SCADA chính là các thiết bị nhập, xuất dữ
liệu được sử dụng để kiểm soát từ xa các hoạt động công nghiệp trong những
năm 1960. Chỉ đến đầu những năm 1970, khái niệm “SCADA” mới được hình
thành, khi mà các bộ vi xử lý và điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic
Controller) phát triển, từ đó giúp nâng cao khả năng quản lý và kiểm soát quy
trình tự động hóa ở các doanh nghiệp.
Trong những năm 1980 và 1990, hệ thống SCADA đã được cải tiến với việc
sử dụng mạng cục bộ LAN (Local Area Network), cho phép các hệ thống
SCADA kết nối với nhau, và là tiền đề cho sự phát triển của phần mềm giao diện
người - máy trên máy tính (PC - based HMI software).
Đến những năm 1990 và đầu 2000, các cơ sở dữ liệu (CSDL) sử dụng ngôn
ngữ truy vấn cấu trúc (SQL) đã trở thành tiêu chuẩn cho CSDL công nghệ thông
tin. Tuy nhiên, nhiều nhà lập trình SCADA đã không ứng dụng phương pháp
này, khiến công nghệ SCADA có những bước lùi trong giai đoạn này. Nhưng
ngay sau thời kì này, khi các tiêu chuẩn công nghệ thông tin hiện đại và các
phương pháp như ngôn ngữ SQL đã được ứng dụng vào hệ thống SCADA, các
hệ thống này đã trở nên hiệu quả, an toàn, ổn định và năng suất hơn.

 Ưu thế:
Với cơ chế hoạt động trên, một hệ thống SCADA sẽ cho phép các doanh
nghiệp thu thập, quản lý dữ liệu, tương tác và kiểm soát hoạt động của các loại
máy móc, thiết bị như van, máy bơm hay các động cơ, cũng như lưu trữ mọi
thông tin vào tệp tin máy chủ. Nhờ tính năng ưu việt, hệ thống SCADA đã và
đang được ứng dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp hiện đại như năng
lượng, thực phẩm, dầu khí, vận tải, xử lý nước và rác thải, v.v... với một số ưu
thế nổi bật như:
 Nâng cao năng suất: nhờ quá trình phân tích các quy trình sản xuất, nhà
quản lý có thể dùng các thông tin này để gia tăng hiệu quả sản xuất và cải tiến
kỹ thuật.
 Cải thiện chất lượng sản phẩm: cũng thông qua việc phân tích các hoạt
động, nhà quản lý có thể tìm cách hạn chế, ngăn chặn các sai sót trong quá trình
sản xuất.
 Giảm chi phí vận hành và bảo trì: khi một hệ thống SCADA được lắp đặt,
doanh nghiệp sẽ không cần quá nhiều nhân sự cho việc quản lý giám sát các
11


thiết bị hiện trường được đặt ở các vị trí xa. Bên cạnh đó, doanh nghiệp cũng
không phải chi trả cho các chuyến đi kiểm tra, bảo trì ở xa, thế nên, chi phí bảo
trì cũng sẽ được giảm bớt.
 Bảo toàn vốn đầu tư: khi các chủ nhà máy đầu tư nâng cấp hoạt động sản
xuất, họ cần đảm bảo sự nâng cấp đó có tính sử dụng lâu dài. Một hệ thống
SCADA được thiết kế mở sẽ cho phép chủ đầu tư chỉnh sửa, thay đổi tùy theo
quy mô sản xuất, nhờ đó giúp loại bỏ các hao hụt theo thời gian.
 Xu hướng phát triển:
Cho đến nay, SCADA vẫn luôn được cải tiến liên tục và trong những năm
gần đây, các chuyên gia dự đoán hệ thống này sẽ phát triển theo các xu hướng
chính sau:

 Kết hợp hệ điều hành Windows với các hệ thống SCADA:
Nền tảng Windows giúp gia tăng sự ổn định, khả năng bảo trì phần cứng
và phần mềm cũng như khả năng thay thế cho sản phẩm SCADA sẵn có. Ngoài
ra, chi phí của phương thức này lại rất cạnh tranh cho hầu hết các doanh nghiệp.

 Giao thức mở:
Việc sử dụng các giao thức mở không chỉ là nhu cầu của thị trường, mà đã
trở thành xu hướng nhằm làm giảm các chi phí khi tích hợp hệ thống, cho phép
thu được các dữ liệu ổn định, và làm giảm thời gian thiết kế các ứng dụng. Tuy
nhiên,doanh nghiệp không chỉ cần xem xét khả năng tương thích của các giao
thức, mà còn cần tối ưu hóa chúng khi sử dụng trong hệ thống SCADA. Vì thế,
đồng bộ hóa cơ sở dữ liệu giữa các thiết bị và phần mềm được đánh giá là sẽ
giúp các doanh nghiệp có nhiều lợi ích hơn từ cấu trúc hệ thống mở.

 Tích hợp dữ liệu và cấu trúc OPC UA (OPC Unified Architecture):
Việc tích hợp dữ liệu giữa SCADA và các hệ thống khác trong doanh
nghiệp như hệ thống hoạch định tài nguyên doanh nghiệp (ERP), chuỗi cung cấp
–Supply Chain, và các hệ thống khác, ngày càng trở nên quan trọng.
OPC nổi lên như là một nỗ lực tiêu chuẩn hóa các lớp của bộ điều khiển
I/O, truy cập dữ liệu - (DA), các sự kiện và cảnh báo (AE), dữ liệu quá khứ
(HAD) và các tính năng khác. Sáng kiến này tập trung vào khả năng tương tác
của các hệ thống, và tìm kiếm một tiêu chuẩn chung cho các mô hình riêng lẻ.
Với việc sử dụng một tiêu chuẩn chung, phương pháp này có thể áp dụng với bất
kỳ hệ điều hành nào, từ đó giúp tạo ra các mô hình dữ liệu lớn hơn trong các hệ
thống SCADA, và giúp mở rộng hệ thống tùy theo sự phát triển quy mô doanh
nghiệp.

12

1.2. Cấu trúc chung của hệ thu thập đo lường điều khiển và giám sát
Mọi hệ thống SCADA đều có bốn thành phần chính sau:
 Giao diện quá trình: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển
đổi và các cơ cấu chấp hành.
 Trạm thu thập dữ liệu trung gian: là các khối thiết bị đầu cuối từ xa RTU
(Remote Terminal Units) hoặc các khối điều khiển logic khả trình PLC
(Programmable Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp
hành.
 Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các
thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ
liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ.
Phần cứng: là các thiết bị kết nối như modem, hộp nối, cáp truyền và các thiết
bị thu phát vô tuyến (trong hệ thống không dây_ wireless), các trạm lặp (trong
trường hợp truyền đi xa).
Phần mềm: đó là các giao thức truyền thông (protocol), các ngôn ngữ lập
trình được dùng để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau.
 Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện ngườimáy HMI (Human Machine Interface).
Trong một hệ thống SCADA thông thường, thông tin từ các cảm biến hay
cơ cấu chấp hành sẽ được thu thập bởi các trạm dữ liệu trung gian như RTU
hoặc PLC. Các khối thiết bị này sau đó sẽ truyền thông tin về hệ thống điều
khiển giám sát hay đôi khi còn gọi là SCADA- HMI thông qua mạng LAN hay
WAN. Hệ thống điều khiển giám sát sẽ kết nối người quản lý với toàn bộ các
thông tin bằng giao diện trình duyệt trên máy tính. Từ giao diện này, người quản
lý có thể quan sát các tín hiệu thu thập được và điều khiển thiết bị từ màn hình
máy tính.

Hình 1.1: Mô hình phân cấp chức năng của hệ SCADA
13

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của một hệ SCADA
Với đề tài mà nhóm chúng em đang thực hiện thì các cấp của SCADA cụ
thể như sau :
 Cấp điều khiển giám sát : Máy tính cá nhân được cài đặt các phần mềm
Wincc , Simatic manager step7
 Cấp điều khiển : Sử dụng PLC s7 300 CPU 314 2PN/DP, modul mở rộng
SM 334 AI5/A02 ×12bit….
 Cấp hiện trường : Là các mô hình giám sát điện năng bao gồm:
+ AAC Transducer bộ chuyển đổi dòng điện với Input [0-5A] Output [4- 20mA]
+ VAC Transducer bộ chuyển đổi điện áp với Input [0-5A ] Output [4-20mA]
+PF Transducer bộ chuyển đổi hệ số công suất với Input [0-5A ] Output [4-20mA]
+ Tải: động cơ Siemens 3 pha cỡ nhỏ.
*chú ý : các tín hiệu vào /ra đều sử dụng điện áp 24VDC
14


1.3. Giao thức PROFINET
PROFINET ( từ viết tắt profinet dành cho Pro cess Field Net ) là tiêu
chuẩn kỹ thuật trong ngành cho truyền thông dữ liệu qua Ethernet công nghiệp ,
được thiết kế để thu thập dữ liệu và kiểm soát, thiết bị trong các hệ thống công
nghiệp , với sức mạnh đặc biệt trong việc phân phối dữ liệu. thứ tự từ 1ms trở
xuống). Tiêu chuẩn này được duy trì và hỗ trợ bởi Profibus & Profinet
International , một tổ chức bảo trợ có trụ sở tại Karlsruhe, Đức .
Ba mức giao thức được xác định:


TCP / IP cho dữ liệu không quan trọng thời gian và vận hành một nhà
máy với thời gian phản ứng trong phạm vi 100 ms



Giao thức RT (Thời gian thực) cho các ứng dụng PROFINET IO lên tới
10 ms chu kỳ



IRT (Thời gian thực không đồng bộ) cho các ứng dụng PROFINET IO
trong các hệ thống truyền động với chu kỳ thời gian dưới 1 mili giây

Các giao thức có thể được ghi lại và hiển thị bằng cách sử dụng một công cụ
phân tích Ethernet như PRONETA hoặc Wireshark .

 Thiết bị ngoại vi
Giao diện với các thiết bị ngoại vi được thực hiện bởi PROFINET IO. Nó
định nghĩa giao tiếp với các thiết bị ngoại vi được kết nối với trường. Cơ sở của
nó là một khái niệm xếp tầng thời gian thực. PROFINET IO xác định toàn bộ
trao đổi dữ liệu giữa các bộ điều khiển (các thiết bị có "chức năng chính") và các
thiết bị (các thiết bị có chức năng "nô lệ"), cũng như cài đặt tham số và chẩn
đoán. PROFINET IO được thiết kế để trao đổi dữ liệu nhanh giữa các thiết bị
trường dựa trên Ethernet và tuân theo mô hình nhà cung cấp dịch vụ tiêu
dùng. Các thiết bị hiện trường trong một dòng PROFIBUS cấp dưới có thể được
tích hợp trong hệ thống PROFINET IO liền mạch thông qua một IO-Proxy (đại
diện của một hệ thống xe buýt cấp dưới). Nhà phát triển thiết bị có thể triển khai
PROFINET IO với bất kỳ bộ điều khiển Ethernet thương mại nào có sẵn. Nó rất
thích hợp cho việc trao đổi dữ liệu với thời gian chu kỳ xe buýt của một vài
ms. Cấu hình của một hệ thống IO đã được giữ tương tự
như PROFIBUS. PROFINET IO luôn chứa khái niệm thời gian thực.
Hệ thống PROFINET IO bao gồm các thiết bị sau:


Bộ điều khiển IO, điều khiển nhiệm vụ tự động hóa.

Thiết bị IO, là thiết bị trường, được giám sát và điều khiển bởi Bộ điều
khiển IO. Thiết bị IO có thể bao gồm một số mô-đun và mô-đun phụ.


15


IO Supervisor là phần mềm thường dựa trên PC để thiết lập các thông số
và chẩn đoán thiết bị IO riêng lẻ.


Một quan hệ ứng dụng (AR) được thiết lập giữa một bộ điều khiển IO và một
thiết bị IO. Các AR này được sử dụng để xác định mối quan hệ truyền thông
(CR) với các đặc điểm khác nhau cho việc chuyển các tham số, trao đổi dữ liệu
tuần hoàn và xử lý báo động.
Các đặc điểm của thiết bị IO được mô tả bởi nhà sản xuất thiết bị trong một
tệp Mô tả Trạm chung (GSD). Ngôn ngữ được sử dụng cho mục đích này là
GSDML (Ngôn ngữ đánh dấu GSD) - một ngôn ngữ dựa trên XML. Tệp GSD
cung cấp phần mềm giám sát với cơ sở lập kế hoạch cấu hình của hệ thống
PROFINET IO.

 Vòng đời kết nối IO
Vòng đời kết nối PROFINET IO mô tả kết nối giữa bộ điều khiển IO
PROFINET và thiết bị IO. Kết nối cho phép trao đổi tuần hoàn dữ liệu IO quá
trình và xử lý cảnh báo tuần hoàn. Vòng đời kết nối PROFINET IO bao gồm độ
phân giải địa chỉ, thiết lập kết nối, tham số hóa, xử lý dữ liệu IO / xử lý cảnh báo
và kết thúc.

-Độ phân giải địa chỉ
Một thiết bị PROFINET IO được xác định trên mạng PROFINET bằng tên
kênh của nó. thiết lập kết nối, tham số hóa và xử lý cảnh báo được thực hiện
với Giao thức datagram người dùng (UDP), yêu cầu thiết bị cũng được gán
một địa chỉ IP . Sau khi xác định thiết bị bằng tên kênh, bộ điều khiển IO gán
địa chỉ IP được định cấu hình trước cho thiết bị.
-Thiết lập kết nối
Việc thiết lập kết nối bắt đầu với Bộ điều khiển IO gửi yêu cầu kết nối đến
Thiết bị IO. Yêu cầu kết nối thiết lập mối quan hệ ứng dụng (AR) có chứa một
số mối quan hệ giao tiếp (CR) giữa IO Controller và IO Device. Yêu cầu kết nối
định nghĩa một số CR trong AR. Các CR sau được hỗ trợ:
+IO dữ liệu CRs hỗ trợ trao đổi điểm-điểm đối với dữ liệu đầu vào và đầu ra
tuần hoàn giữa IO Controller và IO Device.
+Dữ liệu bản ghi CR hỗ trợ trao đổi dữ liệu nhật ký.
+Một báo động CR hỗ trợ việc xử lý báo động.
+CR đa hướng cho phép dữ liệu quy trình tuần hoàn được xuất bản bởi một
nút để tiêu thụ bởi bất kỳ số lượng người tiêu dùng nào.
16


Ngoài AR và CR, yêu cầu kết nối chỉ định cấu hình mô đun của IODevice,
bố cục của các khung dữ liệu quá trình IO, tỷ lệ tuần hoàn của trao đổi dữ liệu
IO và hệ số giám sát.
Sự thừa nhận yêu cầu kết nối của thiết bị IO cho phép tham số hóa theo
sau. Từ thời điểm này trở đi, cả Thiết bị IO và Bộ điều khiển IO bắt đầu trao đổi
các khung dữ liệu I / O quy trình tuần hoàn. Các khung dữ liệu I / O quá trình
không chứa dữ liệu hợp lệ tại thời điểm này, nhưng chúng bắt đầu phục vụ như
giữ nguyên để giữ cho cơ quan giám sát hết hạn.
-Tham số
Bộ điều khiển IO ghi dữ liệu tham số hóa cho từng mô-đun phụ của Thiết bị

IO phù hợp với tập tin Ngôn ngữ đánh dấu mô tả chung (GSDML). Khi tất cả
các mô-đun phụ đã được cấu hình, Bộ điều khiển IO báo hiệu rằng tham số đã
kết thúc. Thiết bị IO đáp ứng bằng cách sẵn sàng báo hiệu ứng dụng, cho phép
trao đổi dữ liệu IO quá trình và xử lý cảnh báo để xảy ra.
-Xử lý trao đổi dữ liệu IO / xử lý cảnh báo
Thiết bị IO được theo sau bởi Bộ điều khiển IO bắt đầu làm mới dữ liệu I / O
quá trình hợp lệ theo chu kỳ. Bộ điều khiển IO xử lý các đầu vào và điều khiển
đầu ra của thiết bị IO.[4] Các thông báo cảnh báo được trao đổi theo chu kỳ giữa IO
Controller và IO Device khi các sự kiện và lỗi xảy ra trong giai đoạn này trong
vòng đời kết nối PROFINET IO.
Mỗi mô-đun trong mạng PROFINET có ba địa chỉ:
+Địa chỉ MAC
+Địa chỉ IP
+Tên thiết bị, tên logic cho mô-đun trong tổng cấu hình
Vì PROFINET sử dụng TCP / IP nên địa chỉ MAC và IP được sử dụng. Địa
chỉ MAC sẽ thay đổi nếu thiết bị được thay thế. Địa chỉ IP là một dạng địa chỉ
mạng có thể được gán động. Vì cần có địa chỉ cố định nên tên thiết bị được sử
dụng.
Để phân bổ địa chỉ IP, mặt nạ mạng con và cổng mặc định, hai phương thức
được xác định:
+DCP: Giao thức khám phá và cấu hình
+DHCP: Giao thức cấu hình máy chủ động
-Thời gian thực
Trong PROFINET IO, dữ liệu xử lý và cảnh báo luôn được truyền trong thời
gian thực (RT). Thời gian thực trong PROFINET dựa trên các định nghĩa
của IEEE và IEC, cho phép chỉ một thời gian giới hạn để thực hiện các dịch vụ
17


thời gian thực trong một chu kỳ xe buýt. Giao tiếp RT đại diện cho cơ sở cho

việc trao đổi dữ liệu cho PROFINET IO. Dữ liệu thời gian thực được xử lý với
mức ưu tiên cao hơn dữ liệu TCP (UDP) / IP. RT cung cấp cơ sở cho truyền
thông thời gian thực trong lĩnh vực ngoại vi phân tán và cho mô hình thành phần
PROFINET. Loại trao đổi dữ liệu này cho phép thời gian chu kỳ xe buýt trong
phạm vi vài trăm micro giây. Dữ liệu PROFINET IO truyền qua PROFINET RT
sử dụng EtherType 0x8892.

 Giao tiếp không đồng bộ
Trao đổi dữ liệu không đồng bộ với PROFINET được định nghĩa trong khái
niệm Isochronous Real-Time (IRT). Chu kỳ trao đổi dữ liệu thường nằm trong
phạm vi vài trăm micro giây đến vài phần nghìn giây. Sự khác biệt đối với
truyền thông thời gian thực về cơ bản là mức độ quyết định cao, do đó việc bắt
đầu chu trình mạng được duy trì với độ chính xác cao. Sự bắt đầu của chu kỳ
mạng có thể lệch tới 1 µs (jitter). IRT là bắt buộc, ví dụ, đối với các ứng dụng
điều khiển chuyển động (các quy trình điều khiển định vị) vì các thiết bị này cần
được đồng bộ hóa. Cùng tồn tại với khung PROFINET RT và TCP / IP trên cùng
một cáp vẫn được duy trì.

 Đồng bộ hóa
PROFINET IRT sử dụng cơ chế đồng hồ trong suốt để đồng bộ hóa các thiết
bị IRIN PROFINET. Cơ chế đồng hồ trong suốt được xác định trong IEEE
1588-2008 (1588 V2) .Điều này tạo ra một vòng điều khiển giữa đồng hồ chủ và
đồng hồ phụ.

 Đặt chỗ băng thông
Phương thức đặt trước băng thông dự trữ thời gian (băng thông) trên mạng
cho các khung PROFINET được gửi qua IRT. Một miền thời gian riêng biệt
được tạo ở đầu chu kỳ mạng, trong đó tất cả các khung IRT được gửi đi. Sau khi
miền thời gian IRT hoàn tất, khung PROFINET RT và cuối cùng là các khung
TCP / IP không quan trọng thời gian được gửi đi.

18


CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300 VÀ
PHẦN MỀM GIÁM SÁT WINCC
2.1. Tổng quan PLC S7-300
PLC (Programmable logic controller) S7-300 là thiết bị điều khiển logic khả
trình cỡ trung bình do hãng Siemens sản xuất với kích thước nhỏ, gọn.
Chúng có kết cấu theo kiểu các Module được sắp xếp trên các thanh rack.
Trên mỗi rack cho phép đặt được nhiều nhất 8 Module mở rộng (không kể CPU,
Module nguồi nuôi). Một CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4
rack.
S7-300 được thiết kế dựa trên tính chất của PLC S7-200 và bổ sung những
tính năng mới, đặc biệt trong điều khiển liên kết cả hệ thống nhiều PLC.
2.1.1.Các module của PLC S7-300
Nhằm mục đích tăng tính mềm dẻo trong các ứng dụng thực tế, các đối
tượng điều khiển của một trạm S7-300 được chế tạo theo Module.
Các Module gồm có: Module CPU, nguồn, ngõ vào/ra số, tương tự, mạng,...
Số lượng Module nhiều hay ít tùy vào yêu cầu thực tế, song tối thiểu bao giờ
cũng có một Module chính là CPU, các Module còn lại nhận truyền tín hiệu với
đối tượng điều khiển, các Module chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển
động cơ,… chúng được gọi chung là Module mở rộng.
Cấu hình của một trạm PLC S7-300 như sau:

CPU

Hình 2.1: Các khối trên một thanh rack của trạm PLC S7-300
Module CPU: chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời gian,
bộ đếm, cổng truyền thông (RS485).. và có thể có vài cổng vào/ra số onboard.

19


PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau, chúng được đặt tên theo bộ vi xử
lý có trong CPU như CPU312, CPU314, CPU315, CPU316, CPU318…
Những Module cùng có chung bộ vi xử lý nhưng khác nhau về cổng vào/ra
onboard, khác nhau về các khối hàm đặc biệt có sẵn trong thư viện của hệ điều
hành được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng cách thêm cụm từ IFM
(Intergrated Function Module). Ví dụ Module CPU314 IFM.
Ngoài ra còn có các loại Module 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
có kèm theo những phần mềm tiện dụng được cài đặt sẵn trong hệ điều hành.
Các loại CPU này được phân biệt với các CPU khác bằng tên gọi thêm cụm từ
DP (Distributted Port) trong tên gọi. Ví dụ Module CPU 314C-2DP…
Hình ảnh sau minh họa một số CPU của PLC S7-300:

CPU312IFM

CPU314C-2PIP

CPU314

CPU314C-2DP

Hình 2.2: Các Module tích hợp CPU của PLC S7-300
Module mở rộng: chia làm 5 loại
+PS ( Power Supply): Module nguồn nuôi. Có 3 loại 2A, 5A và 10A.
+SM (Signal Module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:
+DI (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số
mở rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại Module.

+DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số
mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại Module.
+DI/DO (Digital input/Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra số.
Số các cổng vào/ra số có thể là 8 vào/8 ra hoặc 16 vào/16 ra tùy thuộc từng loại
Module.
+AI (Analog input): Module mở rộng cổng vào tương tự. Chúng là bộ
chuyển đổi tương tự số 12 bits (AD). Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4, 8
tùy từng loại Module+AO (Analog output): Module mở rộng các cổng ra tương
tự. Chúng là những bộ chuyển đổi số tương tự (DA). Số các cổng ra tương tự có
thể là 2, 4 hoặc 8 tùy thuộc từng loại.
20


+AI/AO (Analog input/Analog output): Module mở rộng vào/ra tương tự.
Số cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/ 2 ra hoặc 4 vào/ 4 ra tùy từng loại
Module.
+IM (Interface Module): Module ghép nối. Đây là loại Module chuyên dụng
có chức năng nối các nhóm Module mở rộng lại với nhau thành một khối và
được quản lý chung bởi một CPU. Một CPU có thể làm việc trực tiếp nhiều nhất
4 rack, mỗi rack tối đa 8 Module mở rộng và các rack được nối với nhau bằng
Module IM.
+FM (Function Module): Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ như
Module điều khiển động động cơ bước, Module điều khiển động cơ servo,
Module PID, điều khiển đếm tốc độ cao…
+CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thông trong mạng
giữa các bộ PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.
Một số module mở rộng của PLC S7-300:

module nguồn (PS)

module ra số (DO)

module vào số (DI)

module chức năng (FM)

module ra analog (AO)

module truyền thông

Hình 2.3: Các module vào/ ra và mở rộng của PLC S7-300.

21


2.1.2. Các mode hoạt động:
PLC S7-300 có 4 mode hoạt động, gồm:
RUN_P: Xử lý chương trình, có thể đọc và ghi được từ PG.
RUN: Xử lý chương trình, không thể đọc từ PG.
STOP: Dừng, chương trình không được xử lý.
MRES: Chức năng reset hệ thống (Module Reset)
Các mode này được chọn dựa vào công tắc chọn ở mặt trước CPU như hình 2.4
Trong đó:
1.

Đèn báo trạng thái

2.

Card nhớ

3.

Nút chọn kiểu làm việc

4.

Đầu nối 24V

5.

Cổng giao tiếp MPI

6.

Ngăn để pin
Hình 2.4: Mặt trước CPU S7-300

Ngoài ra, CPU còn có các đèn chỉ báo giúp người sử dụng chẩn đoán được
trạng thái hiện tại của PLC.
SF: báo lỗi trong nhóm, trong CPU hay trong các Module.
BATF: lỗi pin, hết pin hoặc không có pin.
DC5V: báo có nguồn 5V.
FRCE: báo ít nhất có một ngỏ vào/ra đang bị cưỡng bức hoạt động.
RUN: nhấp nháy khi CPU khởi động và sáng khi CPU làm việc.
STOP: sáng khi PLC dừng, chớp chậm khi có yêu cấu reset bộ nhớ, chớp
nhanh khi đang reset bộ nhớ.
-Các thành phần khác trên CPU:
Card nhớ: dùng để lưu chương trình mà không cần pin trong trường hợp mất
điện.

Ngăn để pin: nằm dưới nắp, chứa pin cung cấp năng lượng cho RAM khi mất
điện.
Đầu nối MPI: đầu nồi dành cho thiết bị lập trình hay các thiết bị cần giao tiếp
qua cổng MPI.
22


Đầu nối điện 24V: cung cấp nguồn cho CPU.
2.1.3. Các kiểu dữ liệu:
Tương tự như PLC S7-200, các kiểu dữ liệu sử dụng trong chương trình của
PLC S7-300 gồm có:
-BOOL: có dung lượng 1 bit, giá trị là 0 hoặc 1, sử dụng cho biến có 2 giá trị
-BYTE: dung lượng 8 bit, thường dùng biểu diễn số nguyên dương từ 0 đến
255, mã BCD của số thập phân 2 chữ số, mã ASCII của ký tự,…
-WORD: dung lượng 2 byte, biểu diễn số nguyên dương từ 0 đến 65535.
-INT: dung lượng 2 byte, biểu diễn số nguyên từ -32768 đến 32767.
-DINT: dung lượng 4 byte, biểu diễn số nguyên từ -2147483648 đến
2147483647.
-REAL: dung lượng 4 byte, biểu diễn số thực có dấu phẩy. Ngoài ra còn có
các kiểu dữ liệu khác:
-S5T (S5TIME): biểu diễn khoảng thời gian, tính theo giờ/phút/giây/mgiây
-TOD: biểu diễn khoảng thời gian tính theo giờ/phút/giây
-DATE: biểu diễn thời gian theo năm/tháng/ngày
-CHAR: biểu diễn ký tự (tối đa 4 ký tự).
2.1.4. Cấu trúc bộ nhớ:
Bộ nhớ PLC được minh họa trong hình 1.5, gồm: vùng nhớ chứa thanh ghi,
vùng nhớ System, vùng nhớ Work, và vùng nhớ Load.

Hình 2.5: Phân chia vùng nhớ S7-300
23

*Load memory:
Là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng do người sử dụng viết và được chứa
trong các OB, FC, FB hoặc trong các khối chương trình trong thư viện hệ thống
được sử dụng (SFB, SFC) và các khối dữ liệu DB. Vùng nhớ này tạo ra từ một
phần RAM của CPU và EEPROM. Khi thực hiện lệnh xóa bộ nhớ (MRES) thì
toàn bộ các khối chương trình trong RAM bị xóa hết. Tương tự, khi chương
trình được Download từ máy tính vào CPU, chúng sẽ được ghi lên phần RAM
của vùng nhớ này. Vùng nhớ chương trình được chia làm 3 miền:
+OB (Organization Block): miền chứa chương trình tổ chức.
+FC (Function): miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm, có
biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi.
+FB (Function Block): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm,
có khả năng trao đổi dữ liệu với bất kỳ khối chương trình nào. Các dữ liệu được
xây dựng trên một khối riêng gọi là DB.
*Work memory:
Là vùng nhớ chứa các khối dữ liệu DB đang mở, khối chương trình (OB, FB,
FC, SFC, SFB) đang được CPU thực hiện. Tại một thời điểm nhất định vùng
nhớ này chỉ chứa một khối chương trình. Sau khi thực hiện khối chương trình
này xong thì nó sẽ bị CPU xóa khỏi work memory và nạp vào khối chương trình
kế tiếp đến lượt thực hiện.
Vùng nhớ này chia thành 2 miền:
+DB (Data Block): Miền chứa các dữ liệu tổ chức thành khối, kích thước
và số lượng do người sử dụng quy định. Chương trình có thể truy cập miền này
theo bit (DBX), byte (DBB), Word (DBW), Double word (DBD).
+L (Local data block): Miền dữ liệu cục bộ được các khối chương trình
OB, FC, FB sử dụng cho các biến tạm thời và trao đổi các biến hình thức với các
khối đã gọi nó. Nội dung dữ liệu trong khối này sẽ bị xoá khi kết thúc chương
trình tương ứng trong OB, FC, FB. Miền này có thể truy cập theo bit (L), byte

(LB), word (LW) hoặc duoble word (LD). Tùy theo các khối chương trình khác
nhau mà bảng khai báo chứa các biến khác nhau nhằm phục vụ cho yêu cầu của
khối đó.
*System memory:
Chứa các tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, chia làm 7
miền.
+Miền I: (Process image input): miền bộ đệm các cổng vào số. Trước khi thực
hiện chương trình, PLC đọc tất cả dữ liệu đầu vào và cất vào miền nhớ này.
24


PLC không đọc trực tiếp cổng vào mà đọc từ bộ đệm I.
+Miền Q: (Process image output): miền bộ đệm các cổng ra số. Khi kết thúc
chương trình, PLC chuyển giá trị logic từ bộ đệm Q đến các cổng ra số. Thông
thường chương trình không gán trực tiếp giá trị tới cổng ra mà chỉ chuyển chúng
vào bộ đệm Q.
+Miền M: miền nhớ các bit cờ. Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này
để lưu các tham số cần thiết và có thể truy nhập theo bit, byte, word, double
word.
+Miền T: miền nhớ phục vụ bộ thời gian. Bao gồm việc lưu trữ giá trị thời
gian thời gian định trước, thời gian tức thời và giá trị logic đầu ra của timer.
+Miền C: miền phục vụ bộ đếm. Bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt trước, giá trị
tức thời và giá trị logic đầu ra.
+Miền PI: miền địa chỉ cổng vào các Module tương tự. Các giá trị tương tự tại
các cổng vào sẽ được chuyển tự động theo những địa chỉ. Chương trình ứng
dụng có thể truy cập miền PI theo bit (PI), theo byte (PIB), theo từ (PIW), hoặc
theo từ kép (PID).
+Miền PQ: miền địa chỉ cổng ra các Module tương tự. Giá trị theo những địa
chỉ này sẽ được Module tương tự chuyển tới các cổng ra tương tự. Chương trình
ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PQ theo bit (PQ), theo byte (PQB), theo từ

(PQW) hoặc theo từ kép. Trong các vùng nhớ trình bày trên không có vùng nhớ
làm bộ đệm cho cổng vào/ra tương tự, như vậy mỗi lệnh truy nhập Module
tương tự (đọc hoặc gửi giá trị) đều có tác dụng trực tiếp tới cổng vật lý.
2.1.5. Chu kỳ vòng quét của PLC S7-300:
Tương tự PLC S7-200, PLC S7-300 thực hiện chương trình theo chu trình lặp.
Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét.
Vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
Bước tiếp theo là giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới bộ đệm ảo I.
Sau đó là giai đoạn thực hiện chương trình. Chương trình được thực hiện từ
lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1. Kết quả được lưu trong bộ đệm Q.
Sau cùng là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra
số.
2.1.6. Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng

25
Hình 2.6: Vòng quét chương trình