ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT LÒ NHIỆT S7300

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN

BÁO CÁO
ĐỒ ÁN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU ĐIỀU KHIỂN VÀ TRUYỀN SỐ
LIỆU
ĐỀ TÀI SỐ 1: THIẾT KẾ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHIỆT
ĐỘ CỦA MỘT LÒ NHIỆT

Hà Nội ngày tháng năm 2018

1


MỤC LỤC

2


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế
giới, chúng ta đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn.
Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với đặc điểm nổi
bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố rất cần thiết góp
phần tăng hiệu quả lao động của con người.
Tự động hóa đang trở thành một nghành khoa học đa nhiệm vụ. Tự động hóa đã đáp
ứng được những đòi hỏi không ngừng của nghành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu
cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày. Một trong những sản phẩm
tiên tiến của nó là PLC. Ứng dụng rất quan trọng của nghành công nghệ tự động hóa là
việc điều khiển, giám sát các hệ thống với những thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và

đạt được năng suất, kinh tế cao.
Xuất phát từ ứng dụng đó, chúng em xin phép thiết kế một bài toán ứng dụng của PLC
đó là thiết hệ hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ của một lò nhiệt trên S7 - 300.
Mặc dù kiến thức còn nhiều hạn chế nhưng chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn
thành đồ án này. Chúng em xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TH.S Đỗ Duy
Phú đã giúp chúng em hoàn thành đề tài được giao. Em rất mong được những lời góp
ý của thầy để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn!

3


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1.
Đặt vấn đề
Nhiệt độ là một đại lượng vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lĩnh vực, trong
công nghiệp cũng như trong sinh hoạt. Nhiệt độ trở nên là mối quan tâm hàng đầu cho
các nhà thiết kế máy và điều khiển nhiệt độ trở thành một trong những mục tiêu của
ngành Điều Khiển Tự Động. Trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế, vấn đề đo và kiểm
soát nhiệt độ là một quá trình không thể thiếu được, nhất là trong công nghiệp. Đo
nhiệt độ trong công nghiệp luôn gắn liền với quy trình công nghệ của sản xuất , việc
đo và kiểm soát nhiệt độ tốt quyết định rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm trong
các ngành công nghiệp thực phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ, công nghiệp chế tạo
động cơ đốt trong...
Tùy theo tính chất , yêu cầu của quá trình mà nó đòi hỏi các phương pháp điều
khiển thích hợp. Tính ổn định và chính xác của nhiệt độ cũng được đòi hỏi ở đây đặt ra
các vấn đề cần phải giải quyết.

Một điều thực sự cần thiết là ta phải khảo sát kỹ đối tượng cung cấp nhiệt mà ta
cần phải điều khiển để dẫn đến mô hình toán học cụ thể. Từ đó chúng ta sẽ giải quyết
bài toán điều khiển trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu sẵn.
1.2.
1.2.1.

Mô tả công nghệ và phân tích hệ thống.
Mô tả công nghệ.

Hình 1. 1 Hệ thống điều khiển và giám sát lò nhiệt độ
-

Thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát nhiệt độ lò nhiệt.
4


-

-

Trong đó:
• T1: Điểm đo 1 ( có điều khiển ON/OFF, PID, ... và cảnh báo) có dải đo [0400]°C, Điểm làm việc là 310°C.
• T2: Điểm đo 2(Cảnh báo): có dải đo [0-800]°C.
• RUN: Đèn báo hệ thống đang làm việc.
• LA1: Đèn cảnh báo T1 nhiệt độ Thấp (Nhỏ hơn 280°C).
• HA1: Đèn cảnh báo T1 nhiệt độ Cao (Lớn hơn 340°C).
• HA2: Đèn cảnh báo T2 nhiệt độ Cao (Nhỏ hơn 700°C).
• START, STOP: Hai nút ấn khởi động và dừng hệ thống.
Nhấn nút START hệ thống hoạt động đèn RUN sáng báo hệ thống đang làm
việc.

Nếu nhiệt độ tại T1 nhỏ hơn 280°C thì đèn cảnh báo nhiệt độ Thấp LA1 sáng.
Nếu nhiệt độ tại T1 lớn hơn 340°C thì đèn cảnh báo nhiệt độ Cao HA1 sáng.
Nếu nhiệt độ tại T2 lớn hơn 700°C thì đèn cảnh báo nhiệt độ Cao HA2 sáng.
Nhiệt độ được ổn định ở điểm làm việc 310°C bằng điều khiển ON/OFF
Nhấn nút STOP hệ thống ngừng hoạt động.

1.2.2.
Phân tích hệ thống.
+ Phương pháp đo nhiệt độ.
Có 2 phương pháp đo chính:
-

-

Ở dải nhiệt độ thấp và trung bình phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc,
nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ngay trong môi trường đo. Thiết bị
đo như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt, bán dẫn, cảm biến.
Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo là phương pháp không tiếp xúc( công cụ đặt
ngoài môi trường đo). Các thiết bị đo như:hỏa kế quang học, hỏa kế quang
điện...

=> Trong đề tài này. Chúng em đo nhiệt độ bằng cách sử dụng cảm biến nhiệt độ. Với
ưu điểm đơn giản, dễ dàng sử dụng, hơn nữa có thể bảo dưỡng định kỳ, phù hợp với
yêu cầu bài toán.
+
-

-

Các thiết bị phần cứng.

PLC S7-300, CPU 314C-2PN/DP
PC: Phần mềm giám sát WinCC
Cảm biến nhiệt độ
• PT100 dải -50 đến 500°C (T1)
• PT100 dải -200 đến 800°C (T2)
Đèn báo RUN, HA1, HA2, LA1.
Van.
Nút ấn START, STOP.

5


CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.
Tổng quan về PLC
2.1.1.
PLC là gì?
PLC (viết tắt của Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập
trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic
thông qua một ngôn ngữ lập trình.

Hình 2. 1 PLC S7-300
Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các
sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc
qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm. PLC dùng
để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế.
PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi

có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo. Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể
là Ladder hay State Logic. Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens,
Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell,... Một khi sự
kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi
là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục "lặp" trong chương trình do
"người sử dụng lập ra" chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời
điểm đã lập trình.
2.1.2.
Cấu trúc, phân loại và nguyên lý hoạt động của PLC.
a) Cấu trúc:
Tất cả các PLC đều có thành phần chính là: Một bộ nhớ chương trình RAM bên
trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM). Một bộ vi xử lý có cổng
giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC. Các Modul vào /ra.
6


Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng tay
hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa
đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung. Nếu đơn vị lập trình là đơn vị
xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã
được kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đối với các
PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra
chương trình. Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS485, …
b) Phân loại
PLC được phân loại theo 2 cách:
- Hãng sản xuất: Gồm các nhãn hiệu như Siemen, Omron, Misubishi, Alenbrratly...
- Version:
Ví dụ: PLC Siemen có các họ: S7-200, S7-300, S7-400, Logo.
PLC Misubishi có các họ: Fx, Fxo, Fxon
c) Nguyên lý hoạt động:

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 đều phụ thuộc vào
chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.
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

7


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.
2.1.3.
Các ưu điểm khi sử dụng hệ thống điều khiển với PLC.

- Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu dùng rơ le.
- Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, khi chỉ cần thay đổi chương trình (phần mềm)
điều khiển.
- Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống.
- Nhiều chức năng điều khiển.
- Tốc độ cao.
- Công suất tiêu thụ nhỏ.
- Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt.
- Có khả năng mở rộng số lượng đầu vào/ra khi nối thêm các khối vào / ra chức
năng.
- Tạo khả năng mở ra các lĩnh vực áp dụng mới.
- Giá thành không cao.
Chính nhờ những ưu thế đó, PLC hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các hệ
thống điều khiển tự động, cho phép nâng cao năng suất sản xuất, chất lượng và sự
đồng nhất sản phẩm, tăng hiệu suất, giảm năng lượng tiêu tốn, tăng mức an toàn, tiện
nghi và thoải mái trong lao động. Đồng thời cho phép nâng cao tính thị trường của sản
phẩm.
2.1.4.
Ứng dụng của PLC.
Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong
công nghiệp và dân dụng. Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản,
chỉ có chức năng ON/OFF thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp,
đòi hỏi chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất. Một số lĩnh
vực tiêu biểu ứng dụng PLC như sau:
-

-

Hóa học và dầu khí: định áp suất, bơm dầu, điều khiển hệ thống ống dẫn… Chế tạo máy và sản xuất: tự động hóa trong chế tạo máy, điều khiển nhiệt độ lò
nhiệt luyện kim…

Công nghiệp giấy, xi măng: Tự động hóa trong qua trình sản xuất nghiền bột
giấy, bột đá, trộn hỗn hợp…
Thực phẩm, sản xuất bia, rượu, thuốc lá: đóng gói sản phẩm, phân loại,…
Kim loại: Điều khiển qua trình luyện, cán thép,…
Năng lượng, giao thông,…

8


2.2.
Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7-300.
2.2.1.
Khái niệm
PLC S7-300 là thiết bị điều khiển logic khả trình cỡ trung bình của hãng
Siemens. Thiết kế dựa trên tính chất của PLC S7-200 và bổ sung các tính năng mới.
Kết cấu theo kiểu các module sắp xếp trên các thanh rack.
2.2.2.

Cấu trúc PLC S7-300.

Hình 2.
1: 2Cấu
Cấutrúc
trúcPLC
PLCS7-300
S-300
Để có thể thực hiện được một chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có
tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ
nhớ để lưu chương trình điều khiển và tất nhiên phải có cổng vào/ ra để giao tiếp được
với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên

cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm các khối chức
năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer)và những khối hàm
chuyên dụng.
2.2.3.
Cấu hình phần cứng
Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đồi tượng
điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác
nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hóa về cấu hình. Chúng
được chia nhỏ thành các module. Số lượng module được sử dụng nhiều hay ít tùy theo
từng bài toán, song tối thiểu bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU.
Các module còn lại là những module nhận/truyền tín hiệu đối với đối tượng điều
9


khiển, các module chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ, … Chúng
được gọi chung là module mở rộng. Tất cả các module được gá trên những thanh ray
(Rack).

Hình 2. 2 Cấu trúc một thanh Rack của PLC S7-300
+

Module CPU
Modul CPU là modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ
thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS 485)... và có thể còn có một vài
cổng vào/ra số. Các cổng vào/ra số có trên modul CPU được gọi là cổng
vào/ra onboard.

Hình 2. 3 Module CPU 312C
10

Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module CPU khác nhau. Nói chung chúng
được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như module CPU312, module CPU314,
module CPU315 …
+

Các loại module mở rộng

Hình 2. 4 Các module mở rộng của PLC S7-300
1. Module nguồn – PS ( Power supply)

Có chức năng cung cấp nguồn cho các module của hệ Simatic S7_300.
Module nguồn có 3 loại : 2A, 5A, 10A
*PS 307 2A dòng ra 2A
Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz)
*PS 307 5A dòng ra 5A
Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz)
*PS 307 10A dòng ra 10A
Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz)
2. Module ghép nối IM (Interface module)

Modul ghép nối đây là loại modul chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm
các modul mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản ly chung bởi modul
CPU. Thông thường các modul mở rộng được gá liền với nhau trên một thanh đỡ
gọi là rack. Trên mỗi một rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 modul mở rộng
(không kể modul CPU, modul nguồn nuôi. Một modul CPU S7-300 có thể làm

11


việc trực tiếp được với nhiều nhất 4 Racks và các Racks này phải được nối với
nhau bằng modul IM
3. Module tín hiệu SM (Signal module)

SM (Signal module): modul mở rộng cổng tín hiện 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 theo 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 theo từng loại module.

+

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 8vào/8ra, 16vào/16 ra theo từng
loại module.

+

AI (analog input): Modul mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản chất
chúng chính là các bộ chuyển đổi tương tự số12 bit (AD), tức là mỗi tín
hiệu tương tự được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12
bit. Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ từng loại module.

+

AO (analog output): Module mở rộng các cổng ra tương tự. Về bản chất
chúng chính là các bộ chuyển đổi số tương tự (DA). Số các cổng ra
tương tự có thể là 2 hoặc 4 tuỳ từng loại module.

+

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 4vào/4 ra
tuỳ từng loại module.

4. Module truyền thông CP ( Communication module)
Phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC
với máy tính.
5. Module chức năng FM (Function Module)
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…
2.2.4.
Cấu trúc bộ nhớ của CPU
Bộ nhớ của S7-300 được chia làm ba vùng nhớ chính:
12


- Vùng nhớ chương trình ứng dụng. Vùng nhớ chương trình được chia thành miền:
• OB (Organisation block): Miền chứa chương trình tổ chức.
• FC (Funcion): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có biến
hình thức dể trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó.

• FB (Function block): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và
có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác. Các dữ
liệu này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB – Data
block).
- Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được phân chia
thành 7 miền khác nhau, bao gồm:
• I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số. Trước khi bắt
đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng vào và
cất 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 vảo từ bộ
đệm I.
• Q (Process image output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc giai
đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bọ đệm Q tới các
cổng ra số. Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng
ra mà chỉ chyển chúng vào bộ đệm Q.
• M: Miền các biến cờ. Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu trữ
các tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit (M), byte (MD), từ (MW)
hay từ kép (MD).
• T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu trữ giá trị thời gian
đặt trước (PV – preser value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV – current
value) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ thời gian.
• C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter) bao giồm việc lưu trữ giá trị đặt trước
(PV – preser value), giá trị đếm tức thời (CV – current value) và giá trị logic
đầu ra của bộ đếm.
• PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O external input). Các giá
trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự
động theo những địa chỉ. Chương trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ PI
theo từng byte, từng từ hoặc theo từ kép.
• PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O external output). Các
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 nhập miền nhớ PQ theo từng byte,
từng từ hoặc theo từ kép.
- Vùng chứa các khối dữ liệu, được chia thành 2 loại:
• DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối. Kích thước
cũng như số lượng khối dược người dùng quy định, phù họp với những bài toán
điều khiển. Chương trình có thể truy nhập miền này theo từng bit, byte, từ, hoặc
từ kép.
• L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình OB,
FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của
13


biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó. Nội dung của một số dữ
liệu trong biền nhớ này sẽ bị xóa khi kết thức chương trình tương ứng trong
OB, FC, FB. Miền này có thể được truy nhập từ chương trình theo từng bit,
bute, từ hoặc từ kép.
2.2.5.
Cấu trúc chương trình của S7-300
Chương trình cho S7-300 được lưu trong bộ nhớ của PLC ở vùng dành riêng
cho chương trình và có thể được lập với hai dạng cấu trúc sau:
a) Lập trình tuyến tính
Toàn bộ chương trình điều khiển nằng trong một khối trong bộ nhớ. Loại hình
cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động nhỏ, không phức tạp.
Khối được chọn phải là khối OB1, là khối mà PLC luôn quét và thực hiện các lệnh
trong nó thường xuyên, từ lệnh đầu tiên dến lệnh cuối cùng và quay lại lệnh đầu
tiên.

Hình 2. 5 Lập trình tuyến tính
b) Lập trình có cấu trúc:
Chương trình được chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và các

phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau. Loại hình cấu trúc này
phù hợp với những bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ và phức tạp.

14


Hình 2. 6 Các khối chương trình

- Loại khối OB (Organization block): Khối tổ chức và quản lý chương trình
điều khiển. Có nhiều loại khối OB với những chức năng khác nhau, chúng được phân
biệt với nhau bằng một số nguyên đi sau nhóm ký tự OB, ví dụ
OB1, OB2, …
- Loại khối FC (Program block): Khối chương trình với những chức năng
riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm (chương trình con có
biến hình thức). Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FC và
các khối FC này được phân biệt với nhau bằng một số nguyên sau nhóm
ký tự FC. Ví dụ FC1, FC2, …
- Loại khối FB ( Function Block): Là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi 1
lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác .Các dữ liệu này phhải được tổ chức
thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data block. Một chương trình ứng dụng có thể có
nhiều khối FB và các khối FB này được phân biệt với nhau bằng một số nguyên sau
nhóm kí tự FB. Chẳng hạn như FB1,FB2…
- Loại khối DB (Data block): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện
chương trình. Các tham số của khối do người dùng tự đặt. Một chương
trình ứng dụng có thể có nhiều khối DB và các khối DB này được phân biệt
với nhau bằng một số nguyên sau nhóm ký tự DB.
 Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng các lệnh gọi khối,
chuyển khối.

15

2.3.
HMI và phần mềm WinCC
2.3.1.
HMI là gì ?
HMI là từ viết tắt của Human-Machine-Interface, nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa
người điều hành và máy móc thiết bị.
Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao tiếp” với một máy
móc qua 1 màn hình giao diện thì đó là một HMI. Biểu thị dữ liệu cho người vận hành
và cho phép nhập lệnh điều khiển qua nhiều dạng: hình ảnh, sơ đồ, cửa sổ, menu, màn
hình cảm ứng …
Màn hình HMI hiện nay đã quá quen thuộc với con người, đặc biệt trong công
nghiệp, nó đóng vai trò vô cùng quan trọng trong phần giao tiếp giữa người và máy.
2.3.2.
Các thiết bị HMI
a) Các thiết bị HMI truyền thống
HMI truyền thống bao gồm:
+ Thiết bị nhập thông tin: công tắc chuyển mạch, nút bấm…
+ Thiết bị xuất thông tin: đèn báo, còi, đồng hồ đo, các bộ tự ghi dùng giấy.







Nhược điểm của HMI truyền thống
Thông tin không đầy đủ.
Thông tin không chính xác.

Khả năng lưu trữ thông tin hạn chế.
Độ tin cậy và ổn định thấp.
Đối với hệ thống rộng và phức tạp: độ phức tạp rất cao và rất khó mở rộng.

b) Các thiết bị HMI hiện đại
Do phát sự phát triển của Công nghệ thông tin và Công nghệ Vi điện tử, HMI ngày nay
sử dụng các thiết bị tính toán mạnh mẽ.
HMI hiện đại chia làm 2 loại chính:
+ HMI trên nền PC và Windows/MAC: SCADA,Citect…
+ HMI trên nền nhúng: HMI chuyên dụng, hệ điều hành là Windows CE 6.0
Ngoài ra còn có một số loại HMI biến thể khác MobileHMI dùng Palm, PoketPC.
Các ưu điểm của HMI hiện đại:
Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin.
Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ xung thông tin cần thiết.
Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa.
Tính “Mở”: có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại
giao thức.
 Khả năng lưu trữ cao.
2.3.3.
Vị trí của HMI trong hệ thống tự động hoá hiện đại
Đóng vai trò là thiết bị tương tác giữa người vận hành và máy tự động. Đôi khi
còn được sử dụng để điều khiển, thu thập dữ liệu, lưu trữ và in ấn.
HMI luôn có trong các hệ SCADA hiện đại, vị trí của HMI ở cấp điều khiển, giám sát:






16

Hình 2. 7 HMI Scada System
Trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4.0 đang diễn ra mạnh mẽ ở tất cả
các lĩnh vực và tất các khu vực trên thế giới. Vì vậy HMI là một thiết bị không thể
thiếu để góp phần tự động hóa các công đoạn cũng như các quy trình sản xuất phức tạp
và khó đòi hỏi độ chính xác cao.
Như vậy HMI được ứng dụng ở hầu hết các công đoạn sản xuất trong các lĩnh vực
như: Dầu khí, Điện tử, Sản xuất thép, Dệt may, Nghành điện, Nghành nước, Ô tô, xe
máy…
2.3.4.
Tổng quan v phần mềm thiết kế WinCC.
 Giới thiệu chung.
WinCC (Windows Control Center - Trung tâm điều khiển trên nền Windows), cung
cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều
hành của Microsoft như Windows NT và Windows 2000. Trong dòng các sản phẩm
thiết kế giao diện phục vụ cho vận hành và giám sát, WinCC thuộc thứ hạng SCADA
với những chức năng hữu hiệu dành cho việc điều khiển.
Một trong những đặc điểm của WinCC là đặc tính mở. Nó có thể sử dụng một cách dễ
dàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm của người sử dụng, tạo nên giao diện
người - máy đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác. Những nhà cung cấp hệ
thống có thể phát triển ứng dụng của họ thông qua giao diện mở của WinCC như một
nền tảng để mở rộng hệ thống.

17


Hình 2. 8 Đặc tính mở của phần mềm WinCC
 Ứng dụng chính của WinCC
Tự động hóa quá trình điều khiển và giám sát quy trình sản xuất. Khi một hệ

thống dùng chương trình winCC để điều khiển và thu thập dữ liệu , nó có thể mô
phỏng bằng hình ảnh các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng các chuỗi
sự kiện. WinCC cung cấp nhiều hàm nhiều hàm chức năng cho mục đính hiển thị x ử
lý thông tin đo lường, thông số công thức, bảng ghi báo cáo,… đáp ứng nhu cầu ngày
một phát triển và là một trong những chương trình ứng dụng thiết kế giao diện người
máy (HMI).
2.3.5.
Các đặc điểm của WinCC
a) Sử dụng công nghệ phần mềm tiên tiến:
WinCC sử dụng công nghệ phần mềm mới nhất. Nhờ sự cộng tác của Siemens
và Microsoft, người dùng có thể yên tâm với sự phát triển của công nghệ phần mềm
mà Microsoft là người dẫn đầu.
b) Hệ thống khách chủ với các chức năng SCADA:
Ngay từ hệ thống WinCC cơ sở đã có thể cung cấp tất cả các chức năng để
người dùng có thể khởi động các yêu cầu hiển thị phức tạp. Việc gọi những hình
ảnh (picture), các cảnh báo (alarm), đồ thị trạng thái (trend), các báo cáo (report)
có thể dễ dàng được thiết lập.
c) Có thể nâng cấp mở rộng dễ dàng từ đơn giản đến phức tạp:
WinCC là một module trong hệ thống tự động hoá, vì thế, có thể sử dụng nó
để mở rộng hệ thống một cách linh hoạt từ đơn giản đến phức tạp từ hệ thống với một
máy tính giám sát tới hệ thống nhiều máy giám sát, hay hệ thống có cấu trúc phân tán
với nhiều máy chủ (server).
18


Có thể phát triển tuỳ theo lĩnh vực công nghiệp hoặc từng yêu cầu công nghệ.
Một loạt các module phần mềm mở rộng định hướng cho từng loại ứng dụng đã được
phát triển sẵn để người dùng chọn lựa khi cần.
d) Cơ sở dữ liệu ODBC/SQL đã được tích hợp sẵn:
Cơ sở dữ liệu Sysbase SQL đã được tích hợp sẵn trong WinCC. Tất cả các dữ

liệu về cấu hình hệ thống và các dữ liệu của quá trình điều khiển đựơc lưu giữ trong cơ
sở dữ liệu này. Người dùng có thể dễ dàng truy cập tới cơ sở dữ liệu của WinCC bằng
SQL (Structured Query Language) hoặc ODBC (Open Database Connectivity). Sự
truy cập này cho phép WinCC chia sẻ dữ liệu với các ứng dụng và cơ sở dữ liệu khác
chạy trên nền Windows.
e) Các giao thức chuẩn mạnh (DDE, OLE, ActiveX, OPC):
Các giao diện chuẩn như DDE và OLE dùng cho việc chuyển dữ liệu từ các
chương trình chạy trên nền Windows cũng là những tính năng của WinCC. Các tính
năng như ActiveX control và OPC server và client cũng được tích hợp sẵn.
f) Ngôn ngữ vạn năng:
WinCC được phát triển dùng ngôn ngữ lập trình chuẩn ANSI-C. Giao diện lập
trình API mở cho việc truy cập tới các hàm của WinCC và dữ liệu:
Tất cả các module của WinCC đều có giao diện mở cho giao diện lập trình
dùng ngôn ngữ C (C programming interface, C-API). Điều đó có nghĩa là người
dùng có thể tích hợp cả cấu hình của WinCC và các hàm thực hiện (runtime) vào một
chương trình của người sử dụng.
g) Cài đặt phần mềm với khả năng lựa chọn ngôn ngữ:
Phần mềm WinCC được thiết kế trên cơ sở nhiều ngôn ngữ. Nghĩa là, người
dùng có thể chọn tiếng Anh, Pháp, Đức hay thậm chí các ngôn ngữ châu á làm ngôn
ngữ sử dụng. Các ngôn ngữ này cũng có thể thay đổi trực tuyến.
h) Giao tiếp với hầu hết các loại PLC:
WinCC có sẵn các kênh truyền thông để giao tiếp với các loại PLC của
Siemens như SIMATIC S5/S7/505 cũng như thông qua các giao thức chung như
PROFIBUS DP, DDE hay OPC. Thêm vào đó, các chuẩn thông tin khác cũng có
19


sẵn như là những lựa chọn hay phần bổ sung.
i) WinCC như một phần tử của hệ thống Tự động hoá tích hợp toàn diện
(Totally Integrated Automation-TIA):

WinCC đóng vai trò như cửa sổ hệ thống và là phần tử trung tâm của hệ. Nó
cũng chính là phần tử SCADA trong hệ thống PCS 7 của Siemens.
2.3.6.
Các cấu hình hệ thống cơ bản
WinCC có thể hỗ trợ các cấu hình hệ thống từ thấp đến cao, ví dụ như trong
các cấu hình như sau:
-

Hệ thống điều khiển dùng một máy tính (Sing-user system)
Hệ thống điều khiển dùng nhiều máy tính (Multi-user system)
Cấu trúc Client/Server có dự phòng
Cấu trúc hệ thống phân tán với nhiều trạm chủ (server)

2.3.7.
Các thành phần cơ bản của WinCC
- Communications Drivers : là các driver giúp WinCC có thể thực hiện giao tiếp
với các thiết bị theo các tiêu chuẩn khác nhau, ví dụ như theo chuẩn mạng
-

profibus, chuẩn mạng modbus…
Graphics Designer : là công cụ giúp người dùng tạo các giao diện tương thích
với hệ thống thực tế, từ đó người dùng có thể thực hiện các thao tác điều khiển

-

các thiết bị của hệ thống đó .
Tag Logging : là công cụ thực hiện việc lấy dữ liệu từ các quá trình thực thi,
chuẩn bị để hiển thị và lưu trữ các dữ liệu . Từ những dữ liệu trên giúp thiết lập

-

các thông báo, các bảng, biểu hoàn chỉnh về giá trị của quá trình .
Alarm Logging : đây là công cụ giúp cung cấp các thông tin về các lỗi phát sinh
và trạng thái hoạt động toàn diện của hệ thống . Từ công cụ Alarm Logging nó
giúp người dùng sớm nhận ra các tình trạng nguy cấp của hệ thống từ đó tránh
và giảm thiểu rủi ro, nâng cao chất lượng cho hệ thống .

- Report Designer: Tạo ra các thông báo, kết quả. Và các thông báo này được lưu
dưới dạng nhật ký sự kiện.
2.4.
Mạng truyền truyền thông công nghiệp
2.4.1.
Mạng truyền thông công nghiệp là gì ?
Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp (MCN) là một khái
niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng
để ghép nối các thiết bị công nghiệp.
20


Hình 2. 9 Mô hình phân cấp chức năng sản xuất công nghiệp
2.4.2.
Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp
Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế
cách nối điểm-điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt những lợi
ích như sau:
• Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: Một số lượng lớn
các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau thông qua
một đường truyền duy nhất.
• Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: Nhờ cấu trúc đơn giản,
việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều. Một số lượng lớn cáp truyền

được thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí đáng kể cho nguyên vật
liệu và công lắp đặt.
• Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin: Khi dùng phương pháp
truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nội dung
thông tin mà các thiết bị không có cách nào nhận biết. Nhờ kỹ thuật truyền
thông số, không những thông tin truyền đi khó bị sai lệch hơn, mà các thiết bị
nối mạng còn có thêm khả năng tự phát hiện lỗi và chẩn đoán lỗi nếu có. Hơn
thế nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tự-số và số-tương tự
nâng cao độ chính xác của thông tin.
• Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: Một hệ thống mạng chuẩn
hóa quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác
nhau. Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ
thống cũng dễ dàng hơn nhiều. Khả năng tương tác giữa các thành phần (phần
cứng và phần mềm) được nâng cao nhờ các giao diện chuẩn.
• Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc tham số hóa, chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của
các thiết bị : Với một đường truyền duy nhất, không những các thiết bị có thể
trao đổi dữ liệu quá trình, mà còn có thể gửi cho nhau các dữ liệu tham số, dữ
liệu trạng thái, dữ liệu cảnh báo và dữ liệu chẩn đoán. Các thiết bị có thể tích
hợp khả năng tự chẩn đoán, các trạm trong mạng cũng có thể có khả năng cảnh
giới lẫn nhau. Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị
và đưa vào vận hành có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm.
• Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Sử dụng mạng
truyền thông công nghiệp cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiển mới như
21


điều khiển phân tán, điều khiển phân tán với các thiết bị trường, điều khiển
giám sát hoặc chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thông tin của hệ thống
điều khiển và giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty.
2.4.3.

Các thành phần cơ bản của một hệ DCS
Cấu trúc cơ bản một hệ điều khiển phân tán

Vẽ lại hình này
1. Trạm điều khiển cục bộ (local control station, LCS), đôi khi còn được gọi là các
khối điều khiển cục bộ (local control unit, LCU) hoặc các trạm quá trình (process
station, PS). Các trạm điều khiển cục bộ thuộc cấp điều khiển, là nơi thực hiện mọi
chức năng điều khiển cho một công đoạn. Các trạm này thường được đặt trong phòng
điều khiển hoặc phòng điện ở cạnh phòng điều khiển trung tâm hoặc rải rác gần khu
vực hiện trường.
Các chức năng tiêu biểu của trạm điều khiển cục bộ là:
- Điều khiển quá trình
- Điều khiển trình tự
- Điều khiển logic
- Thực hiện các công thức
- Đặt các tín hiệu đầu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố
- Lưu trữ tạm thời các dữ liệu quá trình
22


- Nhận biết các trường hợp vượt ngưỡng giá trị, tạo các thông báo báo động.
2. Trạm vận hành (operator station, OS) được đặt tại phòng điều khiển trung tâm. Các
trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau. Để tiện cho việc vận
hành hệ thống, người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hành tương ứng với một phân
đoạn hoặc một phân xưởng.
Các chức năng tiêu biểu của trạm vận hành gồm:
- Hiển thị các hình ảnh chuẩn, hình ảnh có đồ họa tự do
- Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu
- Tạo và quản lý các công thức điều khiển
- Xử lý các sự kiện sự cố

- Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu
- Chuẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống
- Hỗ trợ lập báo cáo tự động
3. Trạm kỹ thuật (engineering station, ES) là nơi cài đặt các công cụ phát triển, cho
phép đặt cấu hình cho hệ thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển
và giao diện người - máy, đặt cấu hình và tham số hóa các thiết bị trường.
4. Hệ thống truyền thông gồm bus trường (field bus) và bus hệ thống (system bus).
Bus trường có chức năng ghép nối trạm điều khiển với các trạm vào/ ra phân tán và
các thiết bị trường thông minh, còn bus hệ thống sẽ nối mạng các trạm điều khiển cục
bộ với nhau và với các trạm vận hành, trạm kỹ thuật.
2.4.4.
Hình thức giao tiếp trong hệ thống (TCP/IP)
TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) là kết quả nghiên cứu
và phát triển giao thức trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tên Arpanet
do ARPA (Advanced Research Projects Agency) thuộc Bộ quốc phòng Hoa kỳ tài
trợ.
Khái niệm TCP/IP dùng để chỉ cả một tập giao thức và dịch vụ truyền thông
được công nhận thành chuẩn cho Internet. Cho đến nay, TCP/IP đã xâm nhập tới rất
nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, trong đó có các mạng máy tính cục bộ và
mạng truyền thông công nghiệp.
Khác với OSI, thực ra không có một mô hình giao thức nào được công bố
chính thức cho TCP/IP. Tuy nhiên, dựa theo các chuẩn giao thức đã được phát triển,
ta có thể sắp xếp các chức năng truyền thông cho TCP/IP thành bốn lớp độc lập là
lớp ứng dụng, lớp vận chuyển, lớp Internet, lớp truy nhập mạng.
Lớp ứng dụng
Lớp ứng dụng thực hiện các chức năng hỗ trợ cần thiết cho nhiều ứng dụng
khác nhau. Với mỗi loại ứng dụng cần một module riêng biệt, ví dụ FTP (File Transfer
Protocol) cho chuyển giao file, TELNET cho làm việc với trạm chủ từ xa…
23

Bảng So sánh TCP/IP và OSI
Lớp vận chuyển
Cơ chế bảo đảm dữ liệu được vận chuyển một cách tin cậy hoàn toàn không
phụ thuộc vào đặc tính của các ứng dụng sử dụng dữ liệu. Chính vì thế, cơ chế này
được sắp xếp vào một lớp độc lập để tất cả các ứng dụng khác nhau có thể sử dụng
chung, được gọi là lớp vận chuyển.
Có thể nói, TCP là giao thức tiêu biểu nhất, phổ biến nhất phục vụ việc thực
hiện chức năng nói trên. TCP hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối.
Lớp mạng
Tương tự như lớp mạng ở OSI, lớp Internet có chức năng chuyển giao dữ liệu
giữa nhiều mạng được liên kết với nhau. Giao thức IP được sử dụng ở chính lớp này,
như cái tên của nó hàm ý. Giao thức IP được thực hiện không những ở các thiết bị đầu
cuối, mà còn ở các bộ router. Một router chính là một thiết bị xử lý giao thức dùng để
liên kết hai mạng, có chức năng chuyển giao dữ liệu từ một mạng này sang một mạng
khác, trong đó có cả nhiệm vụ tìm đường đi tối ưu.

Lớp truy cập mạng
Lớp truy nhập mạng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thiết bị
trong cùng một mạng. Các chức năng bao gồm việc kiểm soát truy nhập môi trường
truyền dẫn, kiểm lỗi và lưu thông dữ liệu, giống như lớp liên kết dữ liệu trong mô hình
OSI.

24


CHƯƠNG 3
3.1.

THIẾT KẾ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Xây dựng sơ đồ khối

Giải thích các khối:

- Khối cảm biến : gồm 2 cảm biến nhiệt độ PT100 ( với 2 dải đô khác nhau )
-

dùng để đo nhiệt độ ở lò nhiệt sau đó gửi tín hiệu về module analog của
PLC để xử lí.
Khối PLC nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ sau đó xử lí theo yêu cầu công
nghệ và điều khiển đóng mở van hoạt động (ở đây dùng PLC S7-300 CPU314C)
Máy tính dùng để giám sát và giao tiếp với PLC thông qua hệ thống HMI ở
đây ta dùng hệ WinCC và giao tiếp với PLC S7-300 thông qua TCP/IP
Van là thiết bị dùng để khóa / mở cho nguyên liệu vào lò đốt .

25