THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ PHẬN ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LỰC ÉP TRÊN MÁY XAY LÚA ỨNG DỤNG PLC S7200

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ PHẬN ĐO
VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LỰC ÉP
TRÊN MÁY XAY LÚA ỨNG DỤNG PLC S7-200

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN MINH PHƯƠNG
Nghành: CƠ ĐIỆN TỬ
Niên khóa: 2007-2011

Tháng 6/2011


THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ PHẬN ĐO
VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LỰC ÉP
TRÊN MÁY XAY LÚA ỨNG DỤNG PLC S7-200

Tác giả

NGUYỄN MINH PHƯƠNG

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư nghành
Cơ – Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn
KS. Nguyễn Đức Cảnh
TS. Nguyễn Văn Hùng

Tháng 6 năm 2011
i


CẢM TẠ

Xin chân thành cảm tạ!
Ban giám hiệu Trường Đại Học Nông Lâm TP.Hồ Chí Minh, Ban giám hiệu
khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường Đại Học Nông Lâm TP.Hồ Chí Minh, cùng toàn
thể Quý thầy cô đã tạo điều kiện thuận lợi cho em được học tập trong suốt thời gian
theo học tại trường và hoàn thành được luận văn này.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến
Thầy KS. Nguyễn Đức Cảnh.
Thầy TS. Nguyễn Văn Hùng.
Cùng toàn thể Giảng Viên tại Trung Tâm Năng Lượng Và Máy Nông nghiệp đã
tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.

TP.Hồ Chí Minh
Tháng 6 năm 2011

ii


TÓM TẮT

Đề tài “Thiết kế, chế tạo bộ phận đo và điều khiển tự động lực ép trên máy xay
lúa sử dụng PLC S7-200” được tiến hành tại Trung Tâm Năng Lượng và Máy Nông
Nghiệp Trường Đại Học Nông Lâm TP.Hồ Chí Minh, thời gian từ 15/3 đến 15/6.
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và được ứng rất rộng rãi, việc áp dụng

công nghệ mới vào Nông nghiệp đã mang lại nhiều thành quả lớn, từ gieo trồng cho
đến thu hoạch.
Như ta đã biết máy xay lúa đã ra đời từ lâu, và ngày càng được hoàn thiện, việc
đưa điều khiển tự động vào để tăng năng suất và giảm chi phí lao động là rất cấp thiết.
Nhờ sử dụng Loadcell và PLC để kiểm soát và điều khiển, nên sẽ làm tăng năng
xuất cho máy.
Đề tài đã thực hiện những nhiệm vụ sau:
- Chế tạo được bộ phận đo lực ép giữa hai Rulo trên máy xay lúa.
- Điều khiển được lực ép của hai Rulo cao su.
- Sử dụng Step7 MicroWin 4.0 và WinCC để lập trình và theo dõi giá trị lực ép.

iii


MỤC LỤC
Trang
CẢM TẠ

ii

TÓM TẮT

iii

MỤC LỤC

iv

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH

viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

ix

Chương 1 MỞ ĐẦU

1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

1

1.2 Mục đích đề tài

1

Chương 2 TỔNG QUAN

2

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng gạo khi bóc vỏ

2

2.1.1 Chất lượng máy bóc vỏ

2

2.1.2 Chất lượng của lúa được bóc vỏ

2

2.2 Một số loại máy xay xát trên thị trường

2

2.2.1 Máy xay kiểu Rulo cao su

3

2.2.2 Máy xay kiểu đĩa quay

4

2.3 Sơ lược về PLC

5

2.3.1 Cấu trúc phần cứng của PLC

7

2.3.2 Các loại PLC S7-200

12

2.3.3 Các module mở rộng của PLC S7-200

15

2.3.4 Cổng truyền thông

16

2.4 Modul Analog EM235

17

2.5 Giới thiệu về Loadcell

20

2.5.1 Cấu tạo của Loadcell

20

2.5.2 Các thông số kỷ thuật của Loadcell

20

2.6 Bộ Transmitter KM02

22

2.6.1 Mô tả chung

22
iv


2.6.2 Thống số kỹ thuật

23

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN

24

3.1 Phương pháp

24

3.1.1 Phương pháp thực hiện phần cơ khí

24

3.1.2 Phương pháp thực hiện phần điện

24

3.1.3 Phương pháp thực hiện phần chương trình

24

3.1.4 Bố trí khảo nghiệm

25

3.2 Phương tiện

25

3.2.1 Phương tiện thực hiện phần điện

25

3.2.2 Phương tiện thực hiện phần cơ khí

26

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

27

4.1 Cơ sở thiết kế bộ phận cơ khí

27

4.1.1 Thiết kế kết cấu bộ phận đo và điều khiển lực ép

27

4.1.2 Sơ đồ điều khiển hệ thống

29

4.1.3 Giải thuật điều khiển

30

4.1.4 Kết nối các thiết bị

31

4.1.5 Lập trình điều khiển cho hệ thống

34

4.2 Vận hành và kiểm tra hệ thống

35

4.3 Kết quả khảo nghiệm

36

4.3.1 Kết quả khảo nghiệm và xử lý bằng PLC

36

4.3.2 Hiệu suất của máy chà xát khi được điều khiển tự động

38

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

43

5.1 Kết luận

43

5.2 Đề nghị

43

TÀI LIỆU THAM KHẢO

44

PHỤ LỤC

45

Phụ lục 1.1 Hình chiếu đứng và chiếu cạnh của khung gá

45

Phụ lục 1.2 Các nút trên tủ điều khiển

46

Phụ lục 1.3 Bên trong tủ điện

47

Phụ lục 1.4 Cơ cấu chấp hành và phần gá Loadcell

48

v


Phụ lục 1.5 Chương trình PLC

49

Phụ lục 1.6 Kết quả chương trình trên PC Access

52

Phụ lục 1.7 Kết quả chương trình trên Win CC

52

Phụ lục 1.8 Kết quả kết nối giữa Win CC và PC Access qua Tag Logging

53

vi


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

FAO: Food and Agriculture Organization
DC: Direct Current
AC: Alternatting Current
CPU: Central Processing Unit
ROM: Read – Only Memory
RAM: Random Access Memory
EEFROM: Electrically Erasable Programable Read-Only Memory
LED: Light Emitting Diode
I/O: Input/Output

vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1 Cặp Rulo của máy xay kiểu Rulo cao su.

4

Hình 2.2 Sơ đồ khối

7

Hình 2.3 Chu kỳ quét của CPU S7-200

13

Hình 2.4 PLC S7 – 200 CPU 222

14

Hình 2.5 Sơ đồ chân của cổng truyền thông

16

Hình 2.6 Sơ đồ kết nối ngõ vào và bộ Transmitter

17

Hình 2.7 Mạch cầu Wheatstone và Loadcell NS6 – 50kg

20

Hình 2.8 Kích thước Loadcell NS6

21

Hình 2.9 Bộ Transmitter KM02 của MK Cells

22

Hình 2.10 Sơ đồ kết nối của Loadcell và Transmitter

22

Hình 4.1 Hình vẽ của máy

27

Hình 4.2 Lực ép tác dụng lên Rulo và vít me

28

Hình 4.3 Lực tác dụng từ vít me lên Loadcell và cơ cấu chấp hành

29

Hình 4.4 Sơ đồ khối điều khiển và giao tiếp với các thiết bị

30

Hình 4.5 Sơ đồ giải thuật

31

Hình 4.6 Đấu dây cho Loadcell và Transmitter

32

Hình 4.7 Sơ đồ kết nối nút nhấn

33

Hình 4.8 Sơ đồ kết nối nút nhấn vào PLC

33

Hình 4.9 Sơ đồ nối Relay vào động cơ

34

Hình 4.10 Đồ thị giá trị lực ép của Rulo cao su lên Loadcell khi hoạt động

36

Hình 4.11 Biểu đồ tỉ lệ gạo nguyên

38

Hình 4.12 Biểu đồ tỉ lệ gạo gãy

39

Hình 4.13 Biểu đồ hiệu suất bóc vỏ

40

Hình 4.14 Biểu đồ thể hiện giá trị lực ép trên Win CC

40

viii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Thông số cơ bản của S7-200 CPU 222

14

Bảng 2.2 Cấu hình công tắc EM235 để chọn lựa Đơn cực/Đa cực, độ lợi và hệ số suy
giảm

17

Bảng 2.3 Ngõ vào/ra và các cổng kết nối của EM235

18

Bảng 2.4 Cấu hình công tắc để chọn thang đo và độ phân giải của áp ngõ vào.

19

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của Loadcell Marvin – NS6.

21

Bảng 2.6 Thông số của Transmitter

23

Bảng 4.1 Kết quả khảo nghiệm khi không có bộ điều khiển tự động.

37

Bảng 4.2 Kết quả khảo nghiệm khi có bộ điều khiển tự động.

37 

ix

Chương 1

MỞ ĐẦU
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Theo đánh giá của Tổ chức Lương thực và Nông Nghiệp Liên hợp quốc (FAO)
thì Việt Nam là nước xuất gạo lớn thứ 2 thế giới. Do vậy đưa tự động hóa vào các
khâu sản xuất lúa, gạo là rất quan trọng để giữ vững vị thế của mình. Gạo xuất khẩu có
trắng, sạch, đẹp thì phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố, trong đó không thể không kể
đến vai trò của máy xay lúa.
Máy xay lúa ra đời từ lâu, xong việc áp dụng tự động hóa hứa hẹn sẽ đem lại
năng xuất và hiệu quả cao, tiết kiệm thời gian và chi phí.
1.2 Mục đích đề tài
Sau khi khảo sát và nghiên cứu máy xay lúa VINAPPRO - HW 60A, chúng tôi
đã thiết kế ra bộ phận đo lực ép của hai Rulo trên máy xay lúa với mục đích như sau:
- Xác định lực ép cần thiết cho hạt gạo sau khi xay được đẹp nhất.
- Sử dụng PLC để xử lý tín hiệu từ Loadcell.
- Sử dụng phần mềm WinCC 7.0 giám sát hệ thống.

1


Chương 2

TỔNG QUAN
2.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng gạo khi bóc vỏ
Nhiệm vụ của máy xay lúa là tách vỏ trấu ra khỏi hạt gạo với mức tổn thương ít
nhất cho lớp cám, nếu có thể thì không làm vỡ hạt gạo lức. Do cấu trúc của hạt thóc
nên việc sử dụng ma sát trên bề mặt hạt để bóc vỏ trấu là cần thiết, và do đó không thể
tránh được việc xuất hiện hạt vỡ với một tỉ lệ nhất định. Tuy nhiên cần phải sử dụng
nhiều phương pháp để giảm bớt độ vỡ của hạt. Về phương diện này thì kết cấu, độ

chính xác, sự bảo dưỡng, sự điều chỉnh và phương thức vận hành của máy có thể đảm
bảo được những kết quả tối ưu về hiệu suất xay và tỉ lệ gạo nguyên. Tuy nhiên, nếu
như hạt đã bị hỏng trước ở trên ruộng như bị rạn nức do độ ẩm (phơi nắng) thì hiện
tượng vỡ hạt trong quá trình xay xát là không thể tránh được.
2.1.1 Chất lượng máy bóc vỏ
Chất lượng máy thể hiện ở việc điều chỉnh sao cho công suất của máy phù hợp,
khe hở giữa 2 Rulo hoặc 2 đĩa xay, lực đập của các thanh đập,… vừa đủ để hiệu suất
bóc vỏ là cao nhất.
2.1.2 Chất lượng của lúa được bóc vỏ
Chất lượng của lúa là các yếu tố đặc trưng cho tính chất kỹ thuật của lúa như:
loại lúa, kích thước hạt to hay nhỏ, độ ẩm hạt, trạng thái vỏ trấu…
Ngoài ra, hiệu suất bóc vỏ còn phụ thuộc vào kỹ thuật, kinh nghiệm của người vận
hành máy.
2.2 Một số loại máy xay xát trên thị trường

2


Trên thị trường có nhiều loại máy xay xát nhưng phổ biến hiện nay là hai loại chính
cho năng suất cao, chất lượng tốt là: máy xay kiểu Rulo cao su và máy xay kiểu đĩa
quay.
2.2.1 Máy xay kiểu Rulo cao su
Đây là một trong những loại máy có hiệu suất bóc vỏ cao, tỷ lệ hạt bị gãy thấp…
Hiệu suất bóc vỏ và tỷ lệ hạt gãy phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật như: tốc độ quay
của trục quay, khe hở giữa hai Rulo cao su (lực tác dụng của hai Rulo cao su lên hạt
lúa), điều kiện cấp liệu và cơ lý tính của lớp cao su đắp lên trục ở nhiệt độ cao khi làm
việc. Lớp cao su này cần có độ cứng đồng đều vừa đủ để tách vỏ hạt nhưng không làm
gãy hạt gạo lức, đồng thời cũng cần có đủ độ dẽo dai để tạo đủ lực ma sát cần thiết
nhưng lại lâu mài mòn và mòn đều trên suốt chiều dài trục. Sau thời gian làm việc, lớp
cao su sẽ bị mòn dần, bề rộng khe hở giữa hai trục Rulô lớn dần làm hiệu suất bóc vỏ

giảm. Khi hai trục Rulo cao su mòn tới giới hạn nhất định thì phải thay mới.
Việc tiếp liệu cũng rất quan trọng. Lớp hạt từ hộp cấp liệu, chảy xuống được qua
máng dốc cấp liệu hoặc qua cặp trục rải liệu, phải tạo thành một lớp mỏng và đều suốt
chiều dài trục. Nếu lớp liệu này không đồng đều, tập trung ở giữa hay hai đầu trục thì
ở đó bề mặt lớp cao su sẽ bị mòn nhanh hơn, tạo khe hở không đều. Điều này dẫn đến
việc bóc vỏ không triệt để, hạt gạo bị chèn gãy, giảm hiệu suất và năng suất bóc vỏ.
Để tăng hiệu suất bóc vỏ cần tạo được độ chênh lệch vận tốc tiếp tuyến trên hai
mặt trục bằng hai cách:
Cấu tạo hai Rulo có cùng đường kính nhưng vận tốc quay khác nhau nhờ có cấu
truyền động cơ khí.
Cấu tạo hai Rulo có đường kính khác nhau nhưng có cùng số vòng quay.
Do lớp vỏ cao su mòn rất nhanh khi làm việc nên thường chế tạo hai Rulo có
cùng kích thước để tiện cho việc thay thế. Rulo sẽ mòn đều và tỷ số giữa vận tốc tiếp
tuyến trên trục nhanh và trục chậm sẽ không đổi. Hai Rulo này quay ngược chiều
nhau, Rulo chủ động cố định, Rulo bị động có thể điều chỉnh để tăng hay giảm khe hở
giữa hai Rulo.
3


Hình 2.1 Cặp Rulo của máy xay kiểu Rulo cao su.
1: Rulo chủ động, 2: Rulo bị động, 3: Hạt thóc
Vận tốc của Rulo chủ động nhanh hơn Rulo bị động nên vận tốc tiếp tuyến của
chúng sẽ khác nhau. Khi hạt thóc bắt đầu đi vào khe hở của hai Rulo thì phần vỏ hạt
tiếp xúc với trục quay chậm sẽ chuyển động chậm hơn phần vỏ tiếp xúc với phần trục
quay nhanh. Do đó, vỏ trấu được tách ra khỏi gạo lức.
2.2.2 Máy xay kiểu đĩa quay
Máy xay đĩa gồm hai đĩa đặt nằm ngang song song, đĩa trên cố định với khung
máy, đĩa dưới quay. Do đĩa dưới có thể điều chỉnh được vị trí theo phương thẳng đứng
nhờ cơ cấu dịch chuyển cơ khí nên có thể điều chỉnh được khoảng cách giữa hai vỏ áo
đĩa cho phù hợp với từng loại lúa, tránh tình trạng khe hở quá hẹp làm gãy nát hạt,

hoặc khe hở quá rộng thì lúa sẽ không được bóc vỏ làm giảm hiệu suất và năng suất.
Hai đĩa làm việc được đúc bằng kim loại hoặc bằng hổn hợp bột đá, có tạo gân là các
cung cong để tăng khả năng bóc vỏ và vận chuyển gạo ra khỏi khoang xay.
Lớp vỏ áo của hai đĩa xay bị mài mòn trong suốt quá trình làm việc nên phải
kiểm tra liên tục để điều chỉnh khe hở giữa hai đĩa cho phù hợp. Nếu bề rộng của vỏ áo
được chế tạo quá rộng sẽ gay nên tình trạng vỡ hạt. Thực nghiệm cho thấy, vỏ áo mài
4


có bề rộng trong khoảng từ 1/6 đến 1/7 đường kính đĩa là phù hợp, vận tốc tiếp tuyến
của đĩa nên vào khoảng 14m/s và vận tốc quay phụ thuộc vào đường kính đĩa, đường
kính càng lớn thì vận tốc quay của trục càng thấp.
Loại máy này thực hiện quá trình bóc vỏ nhờ lực ma sát và lực nén. Thóc được
cấp vào tâm quay của máy qua thùng cấp liệu, ống hình trụ thẳng đứng điều hòa năng
suất và sự phân phối đồng đều thóc trên toàn bộ bề mặt của đĩa quay. Nhờ lực ly tâm,
hạt thóc được ép vào giữa hai đĩa dưới áp lực và lực ma sát, thóc sẽ được bóc vỏ.
Do máy có một số nhược điểm như năng suất thấp, tỷ lệ hạt vỡ cao nên ngày
càng ít được dùng để bóc vỏ thóc trong thực tế mà chủ yếu được áp dụng để làm máy
nghiền khô hay máy nghiền bột ướt.
2.3 Sơ lược về PLC
PLC (Programmable Logic Controller) là bộ điều khiển logic khả trình được sáng
tạo ra từ một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motors vào năm 1968. Với ý tưởng ban
đầu là thiết kế một bộ điều khiển thỏa mãn các điều kiện sau:
-

Dễ dàng lập trình, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu.

-

Dễ dàng sửa chửa, thay thế với cấu trúc dạng module.

-

Ổn định trong môi trường công nghiệp.

-

Dùng linh kiện bán dẫn nên kích thước nhỏ gọn hơn mạch Relay chức năng tương
đương.

-

Giá thành cạnh tranh.
Những chỉ tiêu này tạo sự quan tâm của các kỹ sư nhiều ngành, nghiên cứu về

khả năng ứng dụng của PLC trong công nghiệp. Các kết quả nghiên cứu đã đưa ra
thêm một số yêu cầu cần phải có trong chức năng của PLC:
-

Tập lệnh từ các lệnh logic đơn giản được hỗ trợ thêm các lệnh về tác vụ định thì,
tác vụ đếm.

-

Các lệnh xử lý toán học, xử lý bằng dữ liệu, xử lý xung tốc độ cao, tính toán số
liệu 32 bit, xử lý thời gian thực, đọc mã vạch,...

5

Song song đó, sự phát triển về phần cứng cũng đạt được nhiều kết quả như: bộ
nhớ lớn hơn, số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn (có thể lên đến 8000 cổng vào/ra), nhiều
module chuyên dụng hơn. Năm 1976, PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra ở xa
bằng kỹ thuật truyền thông khoảng 200 mét.
Sự gia tăng những ứng dụng PLC trong công nghiệp đã thúc đẩy các nhà sản xuất
hoàn chỉnh họ PLC với mức độ khác nhau về khả năng, tốc độ xử lý và hiệu xuất. Các
họ PLC phát triển từ loại làm việc độc lập, chỉ với 20 ngõ vào/ra dung lượng bộ nhớ
chương trình 500 bước, đến các PLC có cấu trúc module nhằm dễ dàng mở rộng thêm
khả năng và chức năng chuyên dùng:
-

Xử lý tín hiệu liên tục (Analog).

-

Điều khiển động cơ servo, động cơ bước.

-

Truyền thông.

-

Số lượng ngõ vào-ra.

-

Bộ nhớ mở rộng.
Với cấu trúc dạng module cho phép chúng ta mở rộng hay nâng cấp một hệ thống

điều khiển dùng PLC chỉ với chi phí và công sức ít nhất.

6


2.3.1 Cấu trúc phần cứng của PLC
Để thực hiện một chương trình điều khiển, PLC phải có tính năng như một máy
tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý, một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều
khiển, dữ liệu, các cổng vào/ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và trao đổi thông
tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, PLC còn cần phải có thêm các khối chức
năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ định thì (Timer)… và những khối hàm
chuyên dùng để phục vụ bài toán điều khiển số.
Bộ nhớ chương
trình

Timer
Bộ đệm ngoài ra

Trung tâm xử lý

Bộ đếm
Bit cờ

Cổng

Cổng

Quản

vào ra

ngắt

lý

và

ghép

đếm

nối

Hình 2.2 Sơ đồ khối
2.3.1.1 Bộ xử lý trung tâm
Bộ xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit), điều khiển và quản lý tất cả
hoạt động bên trong của PLC. Việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và khối vào/ra
được thực hiện thông qua hệ thống bus dưới sự điều khiển của CPU. Một mạch dao
động thạch anh cung cấp xung clock tần số chuẩn cho CPU, thường là 1 hay 8 MHz,

7


tùy thuộc vào bộ xử lý sử dụng. Tần số xung clock xác định tốc độ hoạt động của PLC
và được dùng để thực hiện sự đồng bộ cho tất cả các phần tử trong hệ thống.
2.3.1.2 Bộ nhớ
Tất cả các PLC đều dùng các loại bộ nhớ sau:
-

ROM.

-

RAM.

-

EEPROM.
Với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo bộ nhớ, hầu như các PLC đều dùng bộ nhớ

EEPROM. Trường hợp ứng dụng cần bộ nhớ lớn có thể chọn lựa giữa bộ nhớ RAM có
nguồn pin nuôi và bộ nhớ EEPROM. Ngoài ra, PLC cần thêm bộ nhớ RAM cho các
chức năng khác như:
-

Bộ đệm để lưu trạng thái của các ngõ vào và ngõ ra.

-

Bộ nhớ tạm cho tác vụ định thì, tác vụ đếm, truy xuất cờ.
Đối với PLC loại nhỏ thường bộ nhớ có dung lượng cố định, thường là 2KB.

Dung lượng này vừa đủ đáp ứng cho khoảng 80% hoạt động điều khiển trong công
nghiệp. Do giá thành bộ nhớ liên tục giảm, các nhà sản xuất PLC trang bị bộ nhớ trang
bị ngày càng lớn hơn cho các sản phẩm của họ.
Bộ nhớ PLC gồm 3 vùng chính:
-

Vùng chứa chương trình ứng dụng được chia thành 3 miền chính


OB1 (Organisation block): miền chứa chương trình tổ chức, chứa chương
trình chính, các lệnh khối này luôn được quét.



Subroutine (chương trình con): miền chứa chương trình con, được tổ chức
hàm và có biến hình thức để trao đổi dữ liệu, chương trình con này sẽ
được thực hiện khi nó được gọi trong chương trình chính.



Interrupt (chương trình ngắt): miền chứa chương trình ngắt, được tổ chức
thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ 1 khối chương trình
nào khác. Chương trình này sẽ được thực hiện khi có sự kiện ngắt xảy ra.
Có rất nhiều sự kiện ngắt như: ngắt thời gian, ngắt xung tốc độ cao…
8


-

Vùng chứa tham số của hệ điều hành chia thành 5 miền khác nhau


I - Process image input: miền dữ liệu các cổng vào số, trước khi bắt đầu
thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu
vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I, thông thường chương trình ứng
dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ
liệu của cổng vào từ bộ đệm I.



Q – Process image output: miền bộ đếm các dữ liệu cổng ra số. kết thúc
giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm
Q tới các cổng ra số. Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá
trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chúng tới bộ đệm Q.



M - Miền các biến cờ: chương trình ứng dụng sữ dụng những biến này để
lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo Bit (M), byte
(MB), từ (MW) hay từ kép (MD).



T – Timer: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu giữ
giá trị thời gian đặt trước (PV – Preset Value), giá trị đếm thời gian tức
thời (CV – Current value) cũng gán giá trị logic đầu ra của bộ thời gian.



C – Counter: Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt
trước (PV – Preset value), giá trị đếm tức thời (CV – Current value) và giá
trị logic đẩu ra của bộ đếm.

-

Vùng nhớ chứa các khối dữ liệu được chia làm 2 loại


DB (Data BlocK) Miền chứa dữ liệu được tổ chức thành khối. Kích thước
cũng như số lượng khối do người sử dụng quy đinh, phù hợp với từng bài
toán điều khiển. Chương trình có thể truy nhập miền này theo từng bit
(DBX), byte (DBB), từ (DBW) hoặc từ kép (DBD).



L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương
trình OB1, chương trình con, chương trình ngắt tổ chức và sử dụng các
biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối
chương trình gọi nó. Nội dụng của môt khối dữ liệu trong miền nhớ này sẽ
bị xóa khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB1, chương trình con,

9


chương trình ngắt. Miền này có thể được truy nhập từ chương trình theo
bit (L), byte (LB), từ (LW) hoặc từ kép (LD).
Một số ô nhớ đặt biệt
-

SMB0 Status bits


SM0.0 Bit này luôn luôn ON



SM0.1 Bit này ON trong chu kì quét đầu tiên của chương trình, hoặc ON
khi bật từ Stop sang Run



SM0.2 Bit này ON trong 1 chu kì quét nếu dữ liệu của ô nhớ có khả năng
nhớ bị mất



SM0.3 Bit này ON trong chu kì quét khi có điện và đang ở trạng thái Run



SM0.4 Bit này xung nhịp chu kì 1 phút, 30s ON, 30s OFF



SM0.5 Bit này xung nhịp chu kì 1s, 0.5s ON, 0.5s OFF



SM0.6 Bit này xung nhịp 1 chu kì quét, vòng quét này ON, vòng quét kế
tiếp OFF



SM0.7 Bit phản ánh vị trí của Switch chế độ: ON khi Switch ở chế độ
RUN, OFF khi Switch ở chế độ TERM

2.3.1.3 Khối vào/ra
Mọi hoạt động xử lý tín hiệu bên trong PLC có mức điện áp 5VDC và 15 VDC

trong khi tín hiệu điều khiển có thể lớn hơn nhiều, thường từ 24 VDC đến 240VDC
với dòng lớn.
Khối vào/ra có vai trò là mạch giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC với các
mạch công suất bên ngoài, kích hoạt các cơ cấu tác động, nó thực hiện sự chuyển đổi
các mức điện áp tín hiệu và cách ly. Tuy nhiên, khối vào/ra cho phép PLC kết nối trực
tiếp với các cơ cấu tác động có công suất nhỏ, cỡ 2A trở xuống, không cần các mạch
công suất trung gian có thể lựa chọn thông số cho các ngõ vào/ra thích hợp với các yêu
cầu điều khiển cụ thể, ví dụ:
-

Ngõ vào: 24VDC, 110VAC, 220VAC.

-

Ngõ ra: dạng Relay, transistor, triac.
10


Loại ngõ ra dùng Relay:
-

Có thể nối các cơ cấu tác động làm việc với điện áp AC hoặc DC.

-

Cách ly dạng cơ (relay) nên đáp ứng chậm.

-

Tuổi thọ phụ thuộc vào dòng tải đi qua rơ le và tần số dòng tiếp điện.

Loại ngõ ra dùng Transistor:

-

Chỉ nối với cơ cấu tác động làm việc – điện áp 5 VDC đến 30VDC.

-

Tuổi thọ cao, tần số đóng mở nhanh.
Loại ngõ ra dùng Triac:

-

Kết nối được với các cơ cấu tác động làm việc – điện áp DC hoặc AC, từ 5 đến
242V.

-

Chịu được dòng nhỏ hơn loại Relay nhưng tuổi thọ cao và tần số đóng mở nhanh.
Tất cả các ngõ vào và ngõ ra đều được cách ly với các tín hiệu điều khiển bên
ngoài bằng mạch cách ly quang trên các khối vào/ra. Mạch cách ly quang dùng một
Diod phát quang và một Transistor quang gọi là bộ Optocoupler. Mạch này cho các tín
hiệu điện áp nhỏ đi qua và ghim các tín hiệu điện áp cao xuống mức tín hiệu chuẩn.
Nó có tác dụng chống nhiễu khi chuyển công tắc và bảo vệ quá áp từ nguồn cấp điện
thường lên đến 1500V.
Đối với PLC loại nhỏ, các ngõ vào/ra vật lý được bố trí cùng với CPU, tất cả các
ngõ vào/ra là cùng loại. Những PLC lớn có cấu trúc module cho phép sự lựa chọn linh
hoạt hơn cho các ngõ vào/ra, vì có thể chọn các ngõ vào/ra có nhiều loại khác nhau (ví
dụ: kết hợp ngõ ra loại Relay với Transistor).
Các module vào ra được thiết kế nhằm đơn giản việc kết nối với các cơ cấu chấp

hành và cảm biến vào PLC. Tất cả ngõ vào ra của PLC đều được thiết kế có các đầu
đinh ốc cho phép nhanh chống gỡ bỏ và thay thế các module bị hỏng.
Tại mỗi đầu nối vào/ra đều đánh số địa chỉ để nhận dạng ngõ vào/ra cụ thể trong
khi lập trình hay khi thực hiện chức năng giám sát trạng thái của chúng. Trạng thái của
từng ngõ vào ra được thể hiện bằng đèn LED chỉ báo ngay trên PLC, có tác dụng kiểm

11


tra tình trạng hoạt động của các cảm biến và cơ cấu tác động kết nối với PLC tiện lợi
hơn.
2.3.2 Các loại PLC S7-200
Các loại PLC thông thường: CPU222, CPU224, CPU224XP (có hai cổng giao
tiếp), CPU226 (có hai cổng giao tiếp), CPU226XM.
Thông thường S7-200 được phân ra làm hai loại chính:
-

Loại cấp điện áp 220VAC
Ngõ vào: tích cực mức 1 ở điện áp +24VDC (15VDC – 30VDC)
Ngõ ra: Ngõ ra Relay
Ưu điểm của loại này là ngõ ra Relay, do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp
(có thể sử dụng ngõ ra 0V, 24V, 220V…
Tuy nhiên, nhược điểm của nó: do ngõ ra Relay nên thời gian đáp ứng của Relay
không được nhanh cho ứng dụng điều rộng xung, hoặc Output tốc độ cao…

-

Loại cấp điện áp 24VDC
Ngõ vào: tích cực mức 1 ở điện áp +24VDC (15VDC – 30VDC)
Ngõ ra: Ngõ ra Transistor

Ưu điểm của loại này là ngõ ra Transistor, do đó có thể sử dụng ngõ ra này để điều
chỉnh độ rộng xung, hoặc Output tốc độ cao…
Tuy nhiên, nhược điểm của nó: do ngõ ra Transistor nên ngõ ra chỉ có một điện
áp duy nhất là +24VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng có cấp điện áp ra
là 0VDC, trong trường hợp này buộc ta phải thông qua một Realy 24VDC đệm.

12


P
S7-2000
2.3.2.1 Các tính năng của PLC
ống điều khhiển kiểu module
m
nhỏ ggọn cho cácc ứng dụng trong phạm
m vi hẹp.
Hệ thố
-

C nhiều loạại CPU.
Có

-

C nhiều moodule mở rộ
Có
ộng.

-

C thể mở rộ
Có
ộng đến 7 module.
m

-

B nối tích hợp trong module
Bus
m
ởm
mặt sau.

-

C thể nối mạng
Có
m
với cổổng giao tiếpp RS485 haay Profibus..

-

M tính truung tâm có thể
Máy
t truy cậpp đến các module.
m

-

K

Không
quy định
đ
rãnh cắắm.

-

P
Phần
mềm điều
đ khiển riiêng.

-

T hợp CP
Tích
PU, I/O nguuồn cung cấấp vào một module.
m

-

M
Micro
PLC với
v nhiều chhức năng tíích hợp.

-

M tả hoạt động
Mô

đ
của PL
LC.

Đọc giá
trị đầu
vào
Hiện thị
t
kết qu
uả ở
ngõ ra
r

Chu kỳ

Thựcc thi
chươ
ơng
trìnnh

quét của
CPU tự
kiểm tra
việc
chuẩn
đoán

Xử lý
yêu cầu

giao tiếp

Hìn
nh 2.3 Chu kkỳ quét củaa CPU S7-2200

13


2.3.2.2 Các thông số cơ bản của PLC S7-200 CPU222

Hình 2.4 PLC S7 – 200 CPU 222
Bảng 2.1 Thông số cơ bản của S7-200 CPU 222
Đặt trưng

CPU 222

Kích thước vật lý (mm)

90 x 80 x 62

Vùng nhớ chương trình

2048 từ

Vùng nhớ dữ liệu

1024 từ (Lưu trữ vĩnh viễn)

Thời gian nhớ phục hồi

50 giờ

Số Module mở rộng

2

Bộ đếm tốc độ cao
Một pha
Hai pha

4 đến 30kHz
2 đến 20 kHz

Xung ra (DC)

2 đến 20 kHz

Điều chỉnh Analog

1

Số cổng giao tiếp

1 RS 485

Kích thước ảnh số vào/ra

256 (128 vào, 128 ra)

Tốc độ thực hiện Boolean

0.37 mili giây/chỉ thị

14


2.3.3 Các module mở rộng của PLC S7-200
Các module mở rộng EM (Expansion Modules):
-

Module ngõ vào Digital: 24VDC, 120/230VAC.

-

Module ngõ ra Digital: 24VDC, ngắt điện từ.

-

Module ngõ vào analog: áp, dòng, điện trở, cập nhiệt.

-

Module ngõ ra analog: áp, dòng.

-

Module liên lạc xử lý CP (Communication Processor): module CP242-2 có thể
dùng để nối S7-200 làm chủ module giao tiếp AS. Kết quả là có đến 248 phân tử
nhị phân được điều khiển bằng 31 module giao tiếp AS, gia tăng đáng kể số ngõ
vào và ngõ ra của S7-200.

-

Phụ kiện: Bus nối dữ liệu (Bus connector):

-

Các đèn báo trên CPU: các đèn báo trên mặt PLC cho phép xác định trạng thái làm
việc hiện hành của PLC.

-

SF (đèn đỏ): khi sáng sẽ thông báo hệ thống PLC bị hỏng.

-

RUN (đèn xanh): khi sáng sẽ thông báo hệ thống PLC đang làm việc và thực thi
chương trình được nạp vào CPU.

-

STOP (đèn vàng): khi sáng thông báo PLC đang ở chế độ dừng, dừng chương trình
đang thực hiện lại.

-

Ix.x (đèn xanh): thông báo trạng thái tức thời của cổng vào PLC: Ix.x (x.x = 0.01.5) - đèn này báo hiệu trạng thái tín hiệu theo giá trị logic của cổng.

-

Qy.y (đèn xanh): thông báo trạng thái tức thời của cổng ra PLC. Qy.y (y.y = 0.0 –
1.1) - Đèn này báo hiệu trạng thái tín hiệu theo giá trị logic của cổng.

15