BTL he thu thap và truyền số liệu

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

BÀI TẬP LỚN
ĐỀ TÀI Hệ Thống Đều Khiển và Giám Sát Nhiệt Độ Lò

MÔN : Hệ thu thập dữ liệu ĐK&TSL
BỘ MÔN: ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: ĐỖ DUY PHÚ


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
Mục lục
CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................4
1.1 Mục đích......................................................................................................4
1.2 Phương pháp đo...........................................................................................5
1.3 Tìm hiểu về PLC.........................................................................................6
1.3.1 Khái quát chung về PLC S7300...............................................................6
1.3.2 Các module và đối tượng mở rộng.........................................................11
1.3.3.1 Các module của PLC S7300................................................................11
1.3.3.2 Module mở rộng SM334.....................................................................15
1.4Tìm hiểu về HMI ( WINCC, OPC)............................................................15
1.4.1 Tìm hiểu về HMI....................................................................................16
1.4.2 Tìm hiểu về Wincc..................................................................................18
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG.........................................................20
2.1Sơ đồ khối ..................................................................................................20
2.1.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống................................................................20
2.2 Chọn thiết bị cho các khối.........................................................................21
2.2.1Bộ điều khiển trung tâm..........................................................................21
2.2.2 Thiết bị thu nhiệt độ trong lò..................................................................22

2.2.3 Chọn module analog cho PLC s7300.....................................................24
2.2.4 Chọn van điện tử....................................................................................25
2.2.5 Các khối chức năng trong S7300...........................................................26
2.3 Sơ đồ ghép nối, giao tiếp giữa các thiết bị................................................29
2.3.1 Thiết bị giao tiếp máy tính ....................................................................29
2.3.2Sơ đồ đấu nối cảm biến vào module analog............................................30
2


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
2.3.3 Sơ đồ đấu dây.........................................................................................31
2.2.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống................................................................29
2.2.2 Sơ đồ đấu nối cảm biến vào module SM334.........................................31
2.2.3 Sơ đồ đấu dây.........................................................................................33
2.4 Xây dưng thuật toán.................................................................................32
2.5 Xây dựng phần mềm.................................................................................37
2.5.1 Bảng địa chỉ............................................................................................37
2.5.2 Xây dựng chương trình...........................................................................37
2.6Thiết kế giao diện HMI..............................................................................42
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM..................................................43
3.1 Kết quả đạt được.....................................................................................43
3.1.1 Kết quả nghiên cứu lý thuyết..................................................................43
3.1.2 Kết quả thực nghiệm..............................................................................43
3.2 Hạn chế tồn tại và phương hướng khắc phục............................................43
3.2.1Hạn chế tồn tại.........................................................................................43
3.2.2 Phương hướng khắc phục.......................................................................43

3

BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÍ THUYẾT
1.1 Mục đích
 Yêu cầu của đề tài:
Đo nhiệt độ tại điểm đo T1 và T2với nhiệt độ ổn định làm việc tại 310ºC, do
đó cần có hệ thống điều khiển được nhiệt độ chính xác và ổn định.
Từ yêu cầu trên nhóm em đi xây dựng Hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt
độ lò bao gồm các thành phần:
1. PC: Dùng lập trình, tạo giao diện, download chương trình cho PLC, hoạt
động, điều khiển và giám sát sự hoạt động của cả hệ thống.
2. PLC S7-300: Điều khiển trực tiếp đối tượng.
3. WINCC màn hình giao diện cho phép người sử dụng thiết lập thông
số điều khiển đối tượng tại phân xưởng làm việc.
4. Đối tượng điều khiển: Lò hơi
Điều khiển sự hoạt động của đối tượng thông qua module điều khiển
analog bao gồm việc xuất tín hiệu điều khiển và thu nhận tín hiệu phản hồi
(module này được gắn trên bộ S7-300).
Trong lò có 2 cảm biến để đo nhiệt độ của lò :
 T1: Điểm đo 1 có dải đo [ 0-400] º C, điểm làm việc là 310ºC
 T2: Điểm đo 2 có dải đo [ 0-800] º C
Và hệ thống đèn báo:
 RUN : Đèn báo hệ thống đang làm việc
 LA1: Đèn cảnh báo T1 nhiệt độ thấp ( nhỏ hơn 280ºC)
 HA1: Đèn cảnh báo T1 nhiệt độ cao ( lớn hơn 340ºC)
 HA2: Đèn cảnh báo T2 nhiệt độ cao ( lớn hơn 700ºC)
 Hoạt động của hệ thống:
Hoạt động của hệ thống như sau: khi ấn START khởi động hệ thống, đèn
báo hệ thống RUN sẽ sáng, van M mở cho hỗn hợp nhiên liệu vào lò đốt, khi
đó đèn báo nhiệt độ thấp LA1 sẽ sáng cho tới khi nhiệt độ trong lò bằng hoặc

lớn hơn 280 ºC . Hệ thống sẽ giám sát và điều khiển lò thông qua đóng mở
van hỗn hợp nhiên liệu M để lò hoạt động ở nhiệt độ làm việc là 310 ºC. Khi
nhiệt độ vượt quá điểm làm việc lớn hơn 340ºC , hệ thống sẽ đưa ra cảnh báo
bằng đèn HA1và giảm tỉ lệ mở van . Điểm đo nhiệt độ hơi ra từ lò T2 sẽ cảnh
báo khi nhiệt độ cao hơn 700ºC. Muốn dừng hệ thống ấn STOP .
Tín hiệu đầu ra cảm biến đo nhiệt độ là tín hiệu tương tự sẽ được đưa và
modul analog SM334 chuyển đổi tương tự - số A\D, tuân theo tín hiệu chuẩn
công nghiệp. có hai loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện.
 Điện áp 0 – 10V, 0 -5V
 Dòng điện 0- 20mA, 4- 20mA

4


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
Truyền thông với thiết bị HMI ( WinCC, OPC ) để nhận tín hiệu điều khiển
đồng thời truyền dữ liệu thu được hiển thị trên màn hình giám sát.
1.2 Phương pháp đo.
- Lựa chọn phương pháp đo tiếp xúc sử dụng cặp nhiệt ngẫu
(Thermocouples ).
- Nguyên lý: Khi nung nóng 1 dây kim loại hay 1 đoạn dây, tại đó tập trung
điện tử tự do và có khuynh hướng khuếch đại từ nơi tập trung nhiều đến nơi
tập trung ít. Có nghĩa là từ đầu nóng (+) sang (-) (hiệu ứng seebeck) ở đoạn
dây xuất hiện 1 suất điện động thomson phụ thuộc vào bản chất kim loại.
- Cấu tạo: cặp nhiệt điện được cấu tạo bằng 2 sợi kim loại khác nhau, và có ít
nhất là 2 mối nối. một đầu được giữ ở nhiệt độ chuẩn gọi là đầu ra đầu còn lại
tiếp xúc với đối tượng đo. Cặp nhiệt ngẫu có cực âm và cực dương đánh dấu
mầu đo tùy theo vật liệu chế tạo.
- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.

- Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
- Dải đo: -100 ~ 1800oC
- Ứng dụng: sản xuất công nghiệp, luyện kim, giáo dục hay gia công vật
liệu…
1.3 Tìm hiểu PLC
1.3.1 Khái quát chung về PLC S7300
* PLC S7-300 là thiết bị điều khiển logic khả trình cỡ trung bình.
- 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.
* PLC S7 300 có ưu điểm sau:

- Tốc độ xử lý nhanh
- Cấu hình các tín hiệu I/O đơn giản
- Có nhiều loại module mở rộng cho CPU và cả cho các trạm remote
I/O
- Cổng truyền thông Ethernet được tích hợp trên CPU, hổ trợ cấu hình
mạng và truyền dữ liệu đơn giản.
- Kích thước CPU và Module nhỏ giúp cho việc thiết kế tủ điện nhỏ
hơn.
- Có các loại CPU hiệu suất cao tích hợp cổng profinet, tích hợp các
chức năng công nghệ, và chức năng an toàn (fail-safe) cho các ứng
dụng cao.
- Bao gồm 7 loại CPU tiêu chuẩn, 7 loại CPU tích hợp I/O, 5 loại CPU
fail-safe cho chức năng an toàn, 3 loại CPU công nghệ
5


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
* Ứng dụng:
 Ứng dụng trong sản xuất và dân dụng như:

 Điều khiển robot công nghiệp
 Hệ thống xử lý nước sạch
 Điều khiển trong các cẩu trục
 Điều khiển dây chuyền băng tải.
 Máy chế tạo công cụ
 Máy dệt may v.v...
*Các bộ phận chính của S7-300





Bộ vi xử lí trung tâm (CPU)
Hệ điều hành
Bộ nhớ chương trình
Các cổng vào ra

*CPU S7-300
 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.
 PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau, được đặt tên theo bộ vi xử
lý có trong CPU như CPU312, CPU314, CPU315, CPU316, CPU318…
 Với các CPU có hai cổng truyền thông, cổng 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. Ví dụ
Module CPU 314C-2DP…

6

BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU

Hình 1.1:Sơ đồ modul CPU
1.3.2 Các Module, đối tượng mở rộng
1.3.2.1 Các module của PLC S7-300
Module chính là module CPU. Các module còn lại là các module
nhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển, các module chức năng
chuyên dụng như các module PID, điều khiển động cơ....Chúng được gọi
chung là modul mở rộng. Tất cả các module được gá trên những thanh
ray (Rack).

Hình 1.2: Cấu trúc một thanh Rack của PLC S7-300
7


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
 Module CPU

Hình 1.3: Hình ảnh module CPU 312
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.
Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau. Nói chung chúng
được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như modul 312, modul 314,
modul 315...
Ngoài ra còn có các loại modul 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. Các loại CPU được phân biệt với những modul CPU khác bằng

thêm cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi. Ví dụ modul 315-DP,
315-2DP
CPU S7 – 300 cần dùng trong đề tài:
+ CPU 312: Bộ nhớ làm việc 16KB, chu kì lệnh 0.1us, tích hợp sẵn
10DI/6DO, 2 xung tốc độ cao 2.5 Khz, 2 kênh đọc xung tốc độ cao 10 Khz
 Module mở rộng
Được chia thành 5 loại chính :

Hình 1.4: Hình ảnh thực tế các module mở rộng của PLC S7-300
8


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
- Power Supply (PS): module nguồn nuôi, có 3 loại là 2A, 5A và 10A.
- Signal Module (SM): module tín hiệu vào ra số, tương tự.
- Interface Module (IM): module ghép nối, ghép nối các thành phần mở rộng
lại với nhau. 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.
- Function Module (FM): module chức năng điều khiển riêng. Ví dụ module
điều khiển động cơ bước, module điều khiển PID
- Communication Processor (CP): Module phục vụ truyền thông trong mạng
giữa các bộ PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.
1.3.2. 2 Module mở rộng SM334
SM 334 modul mở rộng 4 ngõ vào 2 ngõ ra analog 12bitcho S7-300có tích
hợp bộ chuyểnđổi ADC ( analog to digital converter)

Hình 1.5 Sơ đồ khối của module analog SM334
Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua
việc xử lý các tín hiệu số
 Analog input: Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D). Nó

chuyển tínhiệu tương tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra. Dùng để
kết nối các thiết bị đo vớibộ điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ.
 Analog output : Analog output cũng là một phần của module analog.
Thực chất nólà một bộ biến đổi số - tương tự (D/A). Nó chuyển tín
hiệu số ở đầu vào thành tínhiệu tương tự ở đầu ra. Dùng để điều khiển
các thiết bị với dải đo tương tự. Chẳnghạn như điều khiển Van mở với
góc từ 0-100%, hay điều khiển tốc độ biến tần 0- 50Hz.
1.4 Tổng quan về hệ thu thập dữ liệu và điều khiển
9


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
- Mạng truyền thông công nghiệp: Đây 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.
-Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết
mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp
trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển
giám sát và máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty.
-Đặc trưng mạng công nghiệp

+ Mạng công ty : có chức năng chính là kết nối các máy tính của các văn
phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và
với các khách hàng , cung cấp dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện
tử.
+ Mạng xí nghiệp : là 1 mạng LAN bình thường có chức năng kết nối các
máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát
+ BUS hệ thống , BUS điều khiển :dung để kết nối các máy tính điều khiển và
các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau .qua bus hệ thống , các
máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động , cung cấp dữ liệu quá trình

cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát cũng như nhận lệnh, tham số điều
khiển từ các trạm phía trên
+ BUS trường, BUS thiết bị: các hệ thống bus nối tiếp sử dụng kỹ thuật
truyền số đề kết nối với các thiết bị thuộc cấp điều khiển với nhau và với các
thiết bị chấp hành hay các thiết bị trường.chức năng chính của câp chấp hành
là đo lường , chuyền động và chuyển đổi tín hiệu.
1.5 Tìm hiểu vể HMI ( WINCC, OPC)
1.5.1 Tìm hiểu về HMI
HMI là từ viết tắt của Human-Machine-Interface, có nghĩa là thiết bị
giao tiếp giữa người điều hành thiết kế với máy móc thiết bị

10


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
 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, 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..
 Các thiết bị HMI hiện đại:
Do sự phát triển của công nghệ thông tin và công nghệ 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. HMI trên nền các máy
tính nhúng: HMI chuyên dụng. 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.
 Các thành phần của HMI:
Phần cứng,Màn hình, Các phím bấm, vi xử lí. Phần
Firmware:CPU,ROM,RAM,EPROM/Flash, …• Các đối tượng.
Các hàm và lệnh Phần mềm phát triển: Các công cụ xây dựng HMI.
Các công cụ kết nối, nạp chương trình và gỡ rối. Các công cụ mô phỏng
Truyền thông: Các cổng truyền thông. Các giao thức truyền thông
 Các thông số đặc trưng của HMI:
Độ lớn màn hình: quyết định thông tin cần hiển thị cùng lúc của HMI.
Dung lượng bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ liệu, Flash dữ liệu: quyết
định số lượng tối đa biến số và dung lượng lưu trữ thông tin. Số lượng các
phím và các phím cảm ứng trên màn hình: khả năng thao tác vận hành.
Chuẩn truyền thông, các giao thức hỗ trợ. Số lượng các đối tượng, hàm
lệnh mà HMI hỗ trợ. Các cổng mở rộng: Printer, USB , CF, PCMCIA,
PC100
Quy trình xây dựng hệ thống HMI:
Lựa chọn phần cứng:
Lựa chọn kích cỡ màn hình: trên cơ sở số lượng thông số/thông tin cảm
biến hiển thị đồng thời. Nhu cầu về đồ thị, đồ họa(lưu trình công nghệ ).
Lựa chọn số phím cứng, số phím cảm ứng tối đa cùng sử dụng cùng lúc.
Lựa chọn các cổng mở rộng nếu có nhu cầu in ấn, đọc mã vạch, kết nối
11


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
các thiết bị ngoại vi khác. Lựa chọn dung lượng bộ nhớ: theo số lượng
thông số cần thu thập số liệu, lưu trữ dữ liệu, số lượng trang màn hình cần

hiển thị
 Xây dựng giao diện:
Cấu hình phần cứng: chọn phần cứng, chuẩn giao thức. Xây dựng các
màn hình. Gán các biến số (tag) cho các đối tượng. Sử dụng các đối tượng
đặc biệt. Viết các chương trình script (tùy chọn). Mô phỏng và chỉnh sửa
chương trình. Nạp phần mềm xuống HMI.
1.5.2 Tìm hiểu WinCC
WinCC (Windows Control Center) là một phần chuyên dụng để xây dựng giao
diện điều khiển (Human Machine Interface), xử lí và lưu trữ dữ liệu cho một
hệ thống SCADA trên nền Windows (WinNT, WinXP, WinVista 32bit ...).
Các đặc điểm chính của WinCC:
 WinCC sử dụng các công nghệ và phần mềm tiên tiến do Microsoft
luôn là người dẫn đầu trong phát triển công nghệ phần mềm.
 WinCC có thể mở rộng một hệ thống từ đơn giản đến phức tạp một
cách linh hoạt, từ hệ thống với một máy tính giám sát tới hệ thống với
nhiều máy tính giám sát hay hệ thống có tính phân tán với nhiều máy
chủ
 WinCC có hàng loạt các module phần mềm kèm theo giúp định hướng
theo từng loại ứng dụng đã được phát triển sẵn để người dùng lựa chọn
khi cần
Tích hợp trong các bộ WinCC thường có các hệ quản trị cơ sở dữ liệu
ODBC/SQL như Sysbase SQL hay SQL Server (ví dụ SQL Server2005 trong
WinCC 7). Và có thể dễ dàng truy cấp tới CSDL của hệ thống bằng ngôn ngữ
SQL hoặc ODBC.
WinCC cũng được tích hợp các giao diện chuẩn như DDE và OLE ... dùng
chuyển đổi các chương trình chạy trên nền Windows. Các tính năng khác như
ActiveX control và OPC server chúng được tích hợp sẵn trong WinCC
Để lập trình sự kiện thì WinCC hỗ trợ ngôn ngữ lập trình chuẩn ANSI- C và
VBScripts (WinCC 7)
WinCC hỗ trợ đa ngôn ngữ như Anh, Pháp, Đức và thậm chí cả một số ngôn

ngữ châu Á, Mĩ cũng được tích hợp làm ngôn ngữ sử dụng
WinCC hỗ trợ hầu hết các loại PLC do nó đã gắn sẵn các kênh truyền thông
để giao tiếp các loại PLC của Siemens như 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 sẵn hay được lựa chọn bổ sung
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1 Chọn thiết bị cho các khối
a)Bộ điều khiển trung tâm:
12


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
Thiết bị điều khiển lập trình (PLC – Programable logic controler) là thiết bị
điều khiển đặc biệt dự trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu
giữ các lệnh, thực hiện các chức năng và thuật toán để điều khiển các quá
trình có thể mô tả thiết bị như sau:
Chương trình
Tín hiệu
ngõ vào

Tín hiệu

PLC

ngõ ra

Hình 2.1 Cấu trúc PLC
Để có thể đo , điều khiển nhiệt độ trong lò cần chọn Module CPU cho PLC
S7-300
Chọn loại CPU S7-300 312C

Hình 2.2 Module CPU 312C
Các thông số của CPU 312C
S7-300, CPU 312C
6ES7312-5BE03-0AB0

Bảng 2.1 Các thông số của CPU 312C
Số đầu vào tích hợp sẵn:
10 DI DC
Số đầu ra tích hợp sẵn:
6 DO DC
13


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
Bộ đếm tốc độ cao tích hợp
sẵn:
Nguồn cung cấp:
WORKING MEMORY:
Phụ kiện yêu cầu:

2 x 10 KHz
24V DC
32Kbyte
FRONT CONNECTOR (1 X 40PIN)
Thẻ nhớ (MICRO MEMORY CARD)

Ngôn ngữ lập trình:
Step 7, từ V5.1 hoặc cao hơn
Bộ nhớ lưu chương trình:

MMC ( tối đa 4 MB)
Số đầu vào số tích hợp sẵn:
10 ( 24 VDC)
Số đầu ra số tích hợp sẵn:
6 ( 24 VDC)
Bộ đếm:
128
Bộ định thời:
128
Vùng địa chỉ vào/ra:
1024/1024 byte ( có thể định địa chỉ tự do).
Vùng đệm vào/ra:
128/128 byte
Kênh số vào/ra tối đa:
256/256
Kênh tương tự vào/ra tối đa:
64/32
Khả năng mở rộng modul:
Số CPU/Rack tối đa: 1/0
Số modul tối đa:
8
Tần số chuyển mạch tối đa:
100Hz ( tải trở), 0.5 Hz ( tải cảm)
Đồng hồ thời gian thực
Kiểu kết nối:
MPI
Nguồn cung cấp:
24 VDC
Dòng tiêu thụ:
0.5A

Công suất tiêu thụ:
6W
Kích thước W x H x D:
80 x 125 x 130
b) Thiết bị thu nhiệt độ trong lò
- Sử dụng cặp nhiệt kế J cho điểm đo nhiệt độ T1 có dải đo từ 0±400ºC. Và
lực chọn cảm biến loại K cho điểm đo nhiệt độ T2 có dải đo từ 0± 800ºC.
+ Loại J: kết hợp giữa sắt và constantan, trong đó sắt là cực dương
constantan là cực âm. Hệ số seebeck là 51V/0C ở 200C
+ Loại K: kết hợp giữa chromel (+) và alumel (-).Hệ số seebeck là 40V/0C
ở 200C
 Thông số các loại cặp nhiệt
Loại cặp
Vật liệu
Độ chính xác Suất điện động
Dải đo(C)
nhiệt điện
J
Sắt-constantan -210800
3%
-8,09545,498
K
Crom-Alumel
3%
-2701250
-5,35450,633
-Nguyên lý hoạt động:  Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu
gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu
chuẩn ). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát
sinh một sức điện động V tại đầu lạnh.

14


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU

Hình 2.3 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu
c)Chọn Module analog cho PLC S7-300
Module tương tự SM334 4 AI/ 2AO x 12/12 bits (6ES7334-0CE01-0AA0)

Hình 2.4 Module analog SM334
Điện áp nguồn 24VDC
Có 4 ngõ vào, 2 ngõ ra
Độ phân giải 12 bits
Đo từ 0 đến 10V hoặc từ 0 đến 20mA
Ngõ ra từ 0 đến 10V hoặc từ 0 đến 20 mA
d)Chọn van điện từ
Chọn van điện tử được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đóng mở cung
cấp nhiên liệu cho lò.
15


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
Cấu tạo của van gồm 3 phần:
+ lò xo
+ cuộn dây
+ van điện tử

Hình 2.5 Van điện từ
Nguyên lý hoạt động:
Cuộn dây được cung cấp sẽ kéo van điện tử dóng kín cửa nạp. Khi ngắt

điện khỏi nguồn (cuộn dây), từ trường bị mất đi nhờ lực đàn hồi của lò xo van
điện tử được đẩy lên trạng thái mở. Tùy thuộc vào thời gian đóng ngắt điện
mà van điện tử mở lâu hay nhanh ,do vậy PLC có thể điều chỉnh được nhiệt
độ trong lò.
e) Các khối chức năng trong S7300
 Dải đo và đầu ra của module analog SM 334
-Dải đầu ra Module SM 334 hỗ trợ dải đầu ra từ (0 – 10)V và từ ( 0 – 20)mA.
So với các module khác, SM 334 có độ phân giải thấp hơn và đầu ra analog
không vượt quá dải đo.
-Sử dụng hàm thư viện (Libraries) FC105 và FC106. Trong PLC S7-300 tích
hợp sẵn hàm chuyển đổi các giá trị analog trong thư viện (Libraries), khi lập
trình không cần phải viết chương trình cho các hàm này như trong S7-200.
 FC105 SCALE
-Miêu tả: Chức năng SCALE nhận 1 giá trị kiểu Integer (IN) và chuyển đổi
thành giá trị kiểu số thực trong đơn vị điện và được SCALE giữa giới hạn
thấp và giới hạn cao (LO_LIM và HI_LIM). Kết quả được ghi vào cổng OUT.

16


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
-Chức năng SCALE sử dụng phương trình:
OUT= [((FLOAT (IN) – K1)/(K2 – K1))*(HI_LIM – LO_LIM)] + LO_LIM
-Hằng số K1 và K2 được set dựa vào giá trị đầu vào hoặc BIPOLAR hoặc
UNBIPOLAR.
Bảng 2.3 Các tham số FC 105
Tham số
Tên
Loại
Data

EN
Input
BOOL

Vùng nhớ

Miêu tả

I,Q,M,D,L

Cho phép đầu vào
với trạng thái tín
hiệu của 1
Cho phép đầu ra có
1 trạng thái tín hiệu
ra của 1 nếu chức
năng được thực
hiện không bị lỗi
Giá trị đầu vào
được SCALE thành
giá trị thực của các
đơn vị điện
Giới hạn trên của
các đơn vị điện
Giới hạn dưới của
các đơn vị điện
Trạng thái tín hiệu
của 1 chỉ thị giá trị
Input là BIPOLAR,
trạng thái tín hiệu 0

chỉ thị giá trị Input
là UNBIPOLAR
Kết quả của
SCALE
Giá trị trả về của
W#16#0000 nếu
chỉ dẫn lệnh không
bị lỗi.

ENO

Output

BOOL

I,Q,M,D,L

IN

Input

INT

I,Q,M,D,L,P,const

HI_LIM

Input

REAL

I,Q,M,D,L,P,const

LO_LIM

Input

REAL

I,Q,M,D,L,P,const

BIPOLAR Input

BOOL

I,Q,M,D,L,P

OUT

REAL

I,Q,M,D,L,P,const

WORD

I,Q,M,D,L,P,const

Output

RET_VAL Output

Từ yêu cầu bài toán ta có đồ thị mối liên hệ

17


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
Đầu vào số
(y)
32000

Đầu analog
0

(x) V
5

10

Hình 2.6 Đồ thị mối liên hệ
Sự biến đổi giá trị đầu vào số sang tương tự là sự biến đổi 1 – 1 (tuyến tính).
Dễ dàng tính ra các giá trị đầu ra analog khi biết giá trị đầu vào số.
Công thức:
OUT=[((FLOAT(IN)-K1)/(K2-K1))*(HI_LIM-LO_LIM)]+ LO_LIM
 Thuật Toán PID điều khiển Van

Hình 2.7 Thuật toán PID
18

BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional
Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển)
tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp –
bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển
phản hồi. Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa
giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực
hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.
 Các tham số điều khiển của bộ PID:
KP: Tham số khâu tỉ lệ (trong (S)FB41 chính là tham số Gain)
TN: Thời gian tích phân (trong (S)FB41 chính là tham số TI)
TV: Thời gian vi phân (trong (S)FB41 chính là TD)
 Khai báo các tham số cần thiết như sau:
- Cycle: 50ms chu kì lấy mẫu
- SP_INT: MD55- Giá trị đặt điểm làm việc của hệ thống lò nhiệt
- PV_PER: Tín hiệu hồi tiếp lấy từ PIW256 của module AI
- LMN_PER: PQW256 - Tín hiệu điều khiển của bộ PID được xuất ra
PQW128 của module AO
-LMN : đầu ra điều khiển van theo tỉ lệ %
2.2 Xây dựng sơ đồ khối , sơ đồ đấu dây
a) Xây dựng sơ đồ khối hệ thống

19


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU

Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ thống
 Khối PLC: là khối đọc tín hiệu từ module tương tự (tín hiệu đã được

chuyển đổi về dạng số) báo về, xử lý tín hiệu số theo chương trình đã
có sẵn trong bộ VXL (ở đây ta sử dụng PLC S7-300 CPU 313C)
 Khối cảm biến: là cảm biến nhiệt độ Thermocouple loại JK và chuyên để
đo nhiệt độ trong lò.
 Khối lò nhiệt là đối tượng cần đo, điều khiển có điểm đo nhiệt độ lò, và
nhiệt độ đầu ra của lò , khi nhận thấy giá trị vượt ngưỡng cho phép thì có
tín hiệu cảnh báo và thông qua khối giao tiếp người điều khiển có thể
đóng/mở van nhiên liệu để thay đổi nhiệt độ trong lò.
 Khối chương trình là máy tính giám sát, là môi trường trao đổi dữ
liệu giữa người vận hành và khâu xử lý trung tâm (ở đây ta sử dụng
phần mềm WinCC v7.0 dùng để giám sát và Step7 dùng để quản lý
PLC).
 Khối van điện từ điều khiển nhiệt độ lò bằng cách đóng mở theo %
được điều khiển thông qua PLC.
 Khối module Analog nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ chuyển tín
hiệu về PLC
b) Sơ đồ đấu dây

20


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
I0.0

24V DC

Q0.0

I0.1

S7-300STOP Q0.1
CPU 312
-

I0.2

Q0.2

I0.3

Q0.3

.
.
.

.
.
.

M

L

PIW
256

Modul
Analog
SM 334

RUN
HA1
LA1
HA2

220V AC

PQW
256

Hình 2.9 Sơ đồ đấu dây
c) Thiết bị giao tiếp máy tính
Đa số các thiết bị ngày nay đều có thể giao tiếp với máy tính và các tính
năng của máy tính. Do đó , mạch điều khiển ở đây cũng được trang bị để có
khả năng đó. Mặc dù nó cũng có yêu cầu bắt buộc là nạp chương trình điều
khiển từ máy tính, nhưng xa hơn nữa nó có thể trao đổi với máy tính về các
thông số của quá trình điều khiển, trạng thái của mạch và có thể được điều
khiển bởi máy tính…
Để kết nối với máy tính ta có thể kết nối sau : Đối với S7-300
+ Dùng MDI card nối thẳng.
+ Qua cổng PC Adapter.MPI.1
Trong đề tài này chúng em sử dụng qua cổng PC Adapter.MPI.1
Có thể mô phỏng qua hình sau

21


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU

Hình 2.10 Địa chỉ các cổng RS232 và sơ đồ ghép nối với máy tính
b) Sơ đồ đấu nối cảm biến vào modul analog SM 334

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Hình 2.11 Sơ đồ đấu dây với ngõ vào dòng điện vào ngõ ra dòng
điện
Nguồn nội
Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC)
Các kênh đầu vào
Các kênh đầu ra
Bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC)
Mạch ghép nối bus
Chân nối chung
Chân nối mass

22


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
Kết nối chân MANA (chân 15 hoặc 18) với chân mass M của CPU sử dụng dây
có tiết diện tối thiểu 1mm2. Nếu 2 chân này không được nối với nhau thì
module sẽ tắt. Ngõ vào lúc này có giá trị 7FFFH, ngõ ra có giá trị bằng 0. Nếu

để module hoạt động không được nối mass trong một thời gian có thể dẫn tới
hư hỏng. Tuyệt đối tránh đâu nguồn ngược cực. Việc này có thể là nguyên
nhân làm cháy module
2.4 Xây dựng thuật toán
 Lưu đồ thuật toán hệ thống
MAIN

Khởi động hệ
thống

Đo, điều khiển và
cảnh báonhiệt độ T1

Đo, cảnh báo
nhiệt độ T2

Khởi động hệ thống

START=1
 Thuật
toán khởi động hệ thống

END

STOP=1
M0.0 =1

M0.0=0

S

END

23


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU

Đ
S
Đ

Đo và cảnh báo và điều khiển
nhiệt độ

M0.0=1

Nhận tín hiệu tự cảm biến và xử lí tín hiệu

Nhiệt độ < 280ºC ?

Nhiệt độ > 340ºC

cảnhtoán
baó đo và cảnh báo nhiệt độ tại điểm đo T1
 LưuBật
đồđèn
thuật
nhiệt độ thấp
LA1

Bật đèn cảnh
báo áp suất cao
HA2

Tăng tỉ lệ mở van
M

S

Giảm tỉ lệ mở
van M

24
RET


BÀI TẬP LỚN HỆ THU THẬP DỮ LIỆU
Đ

Đ
S
S
Đ
Đ

Đo và cảnh báo và điều khiển
nhiệt độ

TG=1

Nhận tín hiệu tự cảm biến và xử lí tín hiệu

 Lưu đồ thuật toán đo và cảnh báo nhiệt độ tại điểm đo T2
Nhiệt độ >700ºC ?

Bật đèn cảnh
báo nhiệt độ
cao HA2

S
25