Nghiên cứu ứng dụng plc s7 1200 điều khiển mức chất lỏng trong dây chuyền sản xuất hóa chất công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRẦN NGỌC THƯỞNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC S7-1200 ĐIỀU KHIỂN MỨC
CHẤT LỎNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT HÓA CHẤT
CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NINH THUẬN, NĂM 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRẦN NGỌC THƯỞNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC S7-1200 ĐIỀU KHIỂN MỨC
CHẤT LỎNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT HÓA CHẤT
CÔNG NGHIỆP

Kỹ Thuật Điện

Chuyên ngành:
Mã số:

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

60520202

TS Vũ Minh Quang

NINH THUẬN, NĂM 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã
được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận văn

Trần Ngọc Thưởng

i


LỜI CÁM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài em gặp không ít những khó khăn, nhưng với sự hướng
dẫn tận tình của thầy hướng dẫn cùng các thầy cô trong khoa đến nay đề tài của em đã
hoàn thành đúng thời gian quy định.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Vũ Minh Quang, giảng viên bộ môn “ Kĩ
thuật điện ” Khoa Năng Lượng – Trường ĐH Thủy Lợi, người đã tận tình chỉ bảo
hướng dẫn em trong quá trình làm luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trường ĐH Thủy Lợi, gia đình và bạn bè,
những người đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá
trình học tập và hoàn thành luận văn.

Dù đã cố gắng nhưng đề tài cũng không thể tránh khỏi những khiếm khuyết, rất mong
nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn
nữa.
Em xin chân thành cảm ơn!

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH...................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. viii
MỞ ĐẦU: .......................................................................................................................ix
1. Tính cấp thiết của Đề tài:............................................................................................ix
2. Mục đích của Đề tài: ....................................................................................................x
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CUNG CẤP VÀ SẢN XUẤT
HÓA CHẤT TRONG CÔNG NGHIỆP ..........................................................................1
1.1

Giới thiệu về dây chuyền sản xuất và cung cấp hoá chất công nghiệp : ...........1

1.2

Phương pháp sản xuất hóa chất công nghiệp : ...................................................2

1.3

Dây chuyền sản xuất hóa chất trong công nghiệp điển hình ............................. 3

1.3.1

Sơ đồ: ..........................................................................................................3

1.3.2

Nguyên lí làm việc : ....................................................................................3

CHƯƠNG 2
2.1

Giới thiệu tổng quan về PLC : ...........................................................................8

2.1.1
2.2

Khái niệm về PLC : .....................................................................................8

Giới thiệu PLC S7-1200 : ................................................................................11

2.2.1
2.3

GIỚI THIỆU PLC S7 – 1200 ............................................................... 8

Phần cứng PLC S7-1200 ...........................................................................13

Phần mềm điều khiển và lập trình : .................................................................15

2.3.1

Giới thiệu: .................................................................................................15

2.3.2

Ứng dụng : .................................................................................................16

2.3.3

Khả năng làm việc :...................................................................................17

CHƯƠNG 3
3.1

Xây dựng mô hình toán học bộ điều khiển mức chất lỏng .............................. 18

3.1.1
3.2

XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ........................................................ 18
Định nghĩa về các bộ điều chỉnh PID ....................................................... 18

Mô hình toán học bộ điều khiển mức chất lỏng...............................................22

3.2.1

Mô hình bộ điều khiển mức chất lỏng ...................................................... 22

3.2.2

Đối tượng van tuyến tính: .........................................................................23

3.2.3

Đối tượng bình mức: .................................................................................23

3.2.4

Đối tượng cảm biến siêu âm: ....................................................................25

iii


3.2.5

Sơ đồ mô hình toán học bộ điều khiển mức chất lỏng .............................. 25

3.2.6

Tìm thông số PID ...................................................................................... 25

CHƯƠNG 4

LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ............................................................... 28

4.1

Biểu đồ chức năng............................................................................................ 28

4.2

Chương trình điều khiển: .................................................................................30

CHƯƠNG 5

THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT HMI. ......................................45

5.1

Giới thiệu về giao diện giám sát HMI. ............................................................ 45

5.2

Giới thiệu về

incc Pro essional ....................................................................47

5.2.1

Tổng quan về

5.2.2

Chức năng phổ biến của

5.3

in CC: .............................................................................47
in CC .............................................................. 48

Thiết kế giao diện. ............................................................................................ 50

CHƯƠNG 6

MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN ........................................................... 52

6.1

Mô phỏng ở chế độ tự động .............................................................................52

6.2

Mô phỏng ở chế độ Tay: ..................................................................................57

6.3

Kết luận ............................................................................................................58

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 59

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Bình chứa đựng hoá chất trong công nghiệp ...................................................1
Hình 1.2: Trung tâm vận hành dây chuyền sản xuất hóa chất.........................................2
Hình 1.3: Sơ đồ dây chuyền sản xuất hóa chất trong công nghiệp .................................3
Hình 1.4: Van điều khiển tuyến tính bằng điện Ginice Korea. .......................................5
Hình 1.5: Cảm Biến siêu âm............................................................................................ 6
Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình ..................................................9

Hình 2.2: Sơ đồ khối tổng quát của CPU ......................................................................10
Hình 2.3: PLC S7 – 1200 .............................................................................................. 13
Hình 2.4: PLC S7 - 1200 nhìn từ phía trước .................................................................14
Hình 2.5: Giao diện làm việc của TIA Portal................................................................ 15
Hình 3.1: Bộ điều khiển PID không phụ thuộc ............................................................. 18
Hình 3.2: Bộ điều khiển PID phụ thuộc ........................................................................19
Hình 3.3: Bông thức xác định giá trị các hệ số Ki, Kp, Kd...........................................21
Hình 3.4: Mô hình bộ điều khiển mức chất lỏng ........................................................... 22
Hình 3.5: Mô hình hàm truyền đạt ................................................................................23
Hình 3.6: Sơ đồ khối mô hình toán học bộ điều khiển mức chất lỏng .......................... 25
Hình 3.7: Đáp ứng ngõ ra ứng với hệ số Ku = 0.043, Ki=Kp=0 ...................................26
Hình 3.8: Đáp ứng ngõ ra ứng khi xác định được thông số PID ...................................26
Hình 3.9: Đáp ứng ngõ ra khi ngõ vào tăng giá trị ........................................................ 27
Hình 3.10: Đáp ứng ngõ ra khi ngõ vào giảm giá trị..................................................... 27
Hình 4.1: Biểu đồ chức năng ......................................................................................... 29
Hình 4.2: Khối PID trong S7-1200................................................................................30
Hình 4.3: Bảng cài đặt thông số PID .............................................................................31
Hình 4.4: Bảng nhập thông số PID ................................................................................32
Hình 5.1: Kiểm tra lỗi sai sót khi thiết kế HMI. ............................................................ 46
Hình 5.2: Tạo và gán thuộc tính cho nút STOP ............................................................ 50
Hình 5.3: Tạo và gán thuộc tính cho động cơ Pump 1 ..................................................50
Hình 5.4: Tạo và gán thuộc tính cho I/O field............................................................... 51
Hình 5.5: Tạo và gán thuộc tính cho Biểu đồ. ............................................................... 51
Hình 6.1: Bơm 1 và 2 đang chạy ...................................................................................52
Hình 6.2: Bình 1 đầy mà bình 2 chưa đầy. ....................................................................53
Hình 6.3: Hệ thống gia nhiệt hoạt động ........................................................................53
Hình 6.4: Gia đủ nhiệt, bơm 3 bơm 4 hoạt động. .......................................................... 54
Hình 6.5: Khi bơm 3, 4 ngừng bơm, khuấy hoạt động 90s. ..........................................54
Hình 6.6: Bơm 5 hoạt động đẩy sản phẩm vào bình chứa 4. ........................................55
Hình 6.7: Van tuyến tính đang mở ................................................................................55

Hình 6.8: Bộ PID đang hoạt động khi có hóa chất ........................................................ 56
Hình 6.9: Bộ PID đang hoạt động khi đủ mức hóa chất ...............................................56
v


Hình 6.10: Mô phỏng ở chế độ tay khi nhấn BƠM 5 .................................................... 57

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Định nghĩa các biến vào ra sử dụng trong bài . ...............................................32
Chương trình điều khiển ................................................................................................ 45

vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
(Xếp theo thứ tự A,B,C của chữ cái đầu viết tắt)
ĐHTL Đại học Thủy lợi
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
LVThS Luận văn Thạc sĩ

viii


MỞ ĐẦU:
1. Tính cấp thiết của Đề tài:
Trong thời đại ngày nay khi công nghệ thông tin ngày càng phát triển, cùng hoà nhập
với chủ trương công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngành kỹ thuật điều khiển và

Tự Động Hóa là ngành khoa học phát triển cực kỳ mạnh m , ở mọi lĩnh vực của đời
sống gần như tự động hóa đã giúp cho chúng ta rất nhiều ngành nghề khác nhau. Hiện
nay, PLC là thiết bị tự động hóa được sử dụng phổ biến.
Trong thực tế, vấn đề điều khiển mức chiếm một tỷ lệ rất lớn trong các lĩnh vực về dầu
mỏ, hóa chất, công nghiệp thực phẩm,… khi thực hiện pha chế theo một tỷ lệ nhất
định nào đó. Và vấn đề điều khiển đối tượng chính xác là rất cần thiết. Các thiết bị
càng ngày càng hiện đại và kích thước cũng nhỏ hơn nên các thao tác trong quá trình
sản xuất đòi hỏi độ chính xác cao. Một sai sót nhỏ có thể ảnh hưởng xấu đến toàn bộ
sản phẩm. Do đó, ngày càng nhiều phương pháp điều khiển chính xác được nghiên
cứu phát triển, như điều khiển mờ và thích nghi, điều khiển PID…Trong việc điều
khiển mức chất lỏng thì thuật toán điều khiển PID là phù hợp.
Hệ thống điều khiển dùng giải thuật PID ứng dụng một trong những thuật toán điều
khiển quá trình như : Điều khiển mức, điều khiển lưu lượng, điều khiển vận tốc, điều
khiển vị trí. Việc ứng dụng giải thuật điều khiển chính xác này vào thực tế nhằm làm
giảm sai số trong kết quả điều khiển. Với việc chiếm tỷ lệ cao so với các giải thuật
điều khiển khác (> 80%), giải thuật điều khiển PID chiếm một vị trí vô cùng quan
trọng trong các giải thuật điều khiển dùng trong công nghiệp bởi yêu cầu chính xác
(accurate), đáp ứng nhanh ( ast response), ổn định (small overshot).
Hiện nay, PLC S7-1200 có thêm chức năng truyền thông và giám sát qua mạng nên
việc việc kết nối mở rộng chức năng giám sát từ xa dễ dàng hơn và dần thay thế cho
PLC S7-200, S7-300.
Với những tính năng vượt trội so với PLC S7-200 và S7-300 nên đề tài em chọn là

ix


“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC S7-1200 ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG
TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT HÓA CHẤT CÔNG NGHIỆP ”
2. Mục đích của Đề tài:
- Tìm hiểu và ứng dụng phương pháp điều khiển PID trong PLC S7-1200 điều khiển

và giám sát mức chất lỏng trong dây chuyền sản xuất hóa chất công nghiệp.
- Củng cố và vận dụng kiến thức đã học để áp dụng vào mô hình thực tế.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Phần mềm lập trình TIA PORTAL cho PLC S7-1200 và mô hình điều khiển giám sát
mức chất lỏng.
- Hiệu quả của việc sử dụng phương pháp điều khiển PID trong phần mềm TIA
PORTAL cho PLC S7-1200 điều khiển mức chất lỏng.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu mô hình điều khiển giám sát mức chất lỏng bằng máy tính và PLC S71200.
- Nghiên cứu việc sử dụng

inCC trong điều khiển giám sát.

- Nghiên cứu việc điều khiển mức chất lỏng sử dụng bộ điều khiển kinh điển PID
- Giám sát được trên giao diện

in CC.

x


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CUNG CẤP VÀ SẢN
XUẤT HÓA CHẤT TRONG CÔNG NGHIỆP
1.1 Giới thiệu về dây chuyền sản xuất và cung cấp hoá chất công nghiệp :
Đặc điểm của ngành công nghiệp hóa chất là đa đạng về sản phẩm phục vụ cho tất cả
các ngành kinh tế kỹ thuật. Từ đó ngành công nghiệp này có thể khai thác mọi thế
mạnh tài nguyên của đất nước từ khoáng sản, dầu khí tới sản phẩm, phụ phẩm và thậm
chí cả phế thải của công nghiệp, nông nghiệp... Công nghiệp hoá chất đóng vai trò cực
kỳ quan trọng trong nền kinh tế của một nước. Đó là một ngành kinh tế – kỹ thuật chủ

lực của đất nước. Việt Nam thực hiện công cuộc đổi mới, những cải cách kinh tế đã
thúc đẩy sự tăng trưởng kinh tế, phát triển công nghiệp - nông nghiệp. Nhu cầu về
nguyên liệu hóa chất cũng ngày càng tăng với tốc độ tăng trưởng sản xuất hóa chất
hằng năm là 15%. Từ thực tiễn đó, em chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
PLC S7-1200 ĐIỀU KHIỂN MỨC CHẤT LỎNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN
XUẤT HÓA CHẤT CÔNG NGHIỆP” làm đề tài nghiên cứu của mình.

Hình 1.1: Bình chứa đựng hoá chất trong công nghiệp

1


Hình 1.2: Trung tâm vận hành dây chuyền sản xuất hóa chất
1.2 Phương pháp sản xuất hóa chất công nghiệp :
Trong ngành công nghiệp nói chung và ngành đặc thù công nghiệp hoá chất nói riêng
thì trộn là một khâu rất quan trọng để tạo ra sản phẩm. Trộn hai hay nhiều chất để tạo
thành hỗn hợp đòi hỏi một tỉ lệ chuẩn nhất định và nghiêm ngặt trong quá trình vận
hành, không để có sự sai sót. Và nhất là có những quá trình con người không trực tiếp
tham gia tay chân hay tham gia được để đảm bảo an toàn lao động, quy trình là hoàn
toàn khép kín.

2


1.3 Dây chuyền sản xuất hóa chất trong công nghiệp điển hình
1.3.1 Sơ đồ:

Hình 1.3: Sơ đồ dây chuyền sản xuất hóa chất trong công nghiệp
1.3.2 Nguyên lí làm việc :
Hình 1.4 mô tả dây chuyền sản xuất theo mẻ bao gồm 5 bình chứa và các bơm luân

chuyển dung dịch trong hệ thống. Mỗi bình chứa đều có cảm biến phát hiện tình trạng
đầy và cạn trong bình chứa. Bình chứa 2 có thêm bộ phận gia nhiệt và cảm biến nhiệt.
Bình chứa 3 có bộ phận khuấy để trộn hai chất lỏng được bơm từ bình chứa 1 và 2 với
nhau. Bình chứa 3 và 4 có dung tích gấp đôi bình chứa 1 và 2.
Hoạt động của hệ thống như sau:
- Bình chứa 1 và 2 được cấp đồng thời alkali và polymer bằng các động cơ bơm. Bơm
1 và 2 ngừng hoạt động khi cảm biến đầy phát hiện trạng thái đầy của bình chứa.
- Bộ phận gia nhiệt ở bình chứa 2 hoạt động, tăng nhiệt cho polymer tới 60°C, ngừng
gia nhiệt khi cảm biến nhiệt tác động. Sau đó bơm 3 và 4 hoạt động bơm chất lỏng

3


sang bình chứa 3. Khi có chất lỏng trong bình chứa 3, bộ phận khuấy hoạt động. Động
cơ bơm 3 ngừng hoạt động khi bình chứa 3 đầy hoặc bình chứa 1 cạn.
- Tương tự, động cơ bơm 4 ngừng hoạt động khi bình chứa 3 đầy hoặc bình chứa 2
cạn. Động cơ khấy ngừng hoạt động sau khi ngừng động cơ 3 và 4 một khoảng là 90
giây.
- Động cơ bơm 5 hoạt động bơm chất lỏng sang bình chứa 4. Động cơ bơm 5 ngừng
hoạt động khi bình chứa 4 đầy hoặc bình chứa 3 cạn.
- Chất lỏng được đưa vào bình chứa 4 để cung cấp nguyên liệu cho quá trình làm việc
để đảm bảo bình chứa T-304 luôn có nguyên liệu hoạt động.
- Mức chất lỏng luôn cài đặt trước một giá trị nhất định. Mức chất lỏng trong bình
chứa 5 vào thời điểm hiện tại s được gửi về PLC S7-1200 bằng tín hiệu analog. PLC
s so sánh mức chất lỏng với giá trị đặt trước, và khi có sự sai lệch, PLC s điều khiển
đóng mở Van tuyến tính bằng phương pháp PID để cân bằng sai lệch.
- Khi giá trị Setpoint thấp hơn giá trị mức hiện tại, Van xả s được kích hoạt để xả bớt
chất lỏng ra ngoài.
- Hệ thống hoạt động tự động lặp lại, bình chứa T304 lúc nào cũng có nguyên liệu để
hoạt động.

Van XV303 là van điều khiển tuyến tính – van analog, van được thiết kế để điều khiển
nhiệt độ, áp suất, lưu lượng trong đường ống. Được sử dụng nhiều trong các lò sấy,
sấy cám, sấy trấu, seo giấy, sấy dừa…Van điều khiển tuyến tính hoạt động ổn định,
chính xác và độ bền cao.

4


Hình 1.4: Van điều khiển tuyến tính bằng điện Ginice Korea.
Bộ điều khiển van tuyến tính là loại điều khiển bằng motor s kéo cần van lên hoặc
xuống, nhận tín hiệu điều khiển từ đồng hồ điều khiển (4-20mA, 0-10Vdc, on/off).
Tùy vào kích thước van và áp suất hoạt động s chọn bộ điều khiển có lực kéo thích
hợp.
Bộ điều khiển tích hợp các công tắc chọn chế độ thường đóng và thường mở, chế độ
dừng tại chổ khi mất tín hiệu điều khiển hoặc tự động đóng van.
Tích hợp cần quay tay khi van có sự cố, có thể điều chỉnh đóng mở mà không cần tín
hiệu điện. Bộ kéo van với lực kéo 2000N và 3500N.
Thông số kỹ thuật bộ điều khiển van tuyến tính, Actuator.
Model: GEA-20P, GEA-35P, GEA-20A, GEA-35A, GEA-15P, GEA-15A.
 Lực kéo: 2000N (GEA-20P), 3500N (GEA-35P).
 Điều khiển: Tuyến tính hoặc ON-OFF (GEA-20A, GEA-35A).
 Nguồn cấp: 110~220VAC hoặc 24VAC.
 Tín hiệu điều khiển: 4-20mA hoặc 0-10VDC.
 Tín hiệu output: 4-20mA, làm tín hiệu hiển thị hành trình hoặc đưa về PLC xử lý.
 Thời gian hành trình: 50 giây (GEA-20P), 100 giây (GEA-35P).
 Nhiệt độ hoạt động: -15~60 độ C.

5

 Độ ẩm: 5~95%.
 IP: 54.
 Hành trình: 20mm hoặc 40mm.
Thiết bị đo mức : là cảm biến siêu âm có phạm vi hoạt động từ 350mm đến 6000mm,
phạm vi hoạt động có thể thay đổi dễ dàng thông qua chức năng Teach-in trên nút
nhấn (phạm vi từ 400mm đến 500mm, 1000mm đến 3000mm tương ứng với ngõ ra 420mA hoặc 0-10Vdc hoặc 20-4mA, 10-0Vdc, và cũng có thể tùy chọn phạm vi sử
dụng bất kỳ miễn là trong giới hạn hoạt động của cảm biến.
Cảm biến siêu âm UA30CAD60PGTI

Hình 1.5: Cảm Biến siêu âm
Dùng để đo mức nước, đo mức chất lỏng, báo mức chất rắn, kiểm soát level,
đo khoảng cách, thể tích, khối lượng là những nhu cầu vô hạn và ngày càng tăng của
ngành công nghiệp, thậm chí là các nhu cầu dân dụng, cuộc sống hằng ngày, hệ thống
thủy lợi, thủy điện…
Cảm biến siêu âm có thể đáp ứng được các nhu cầu nêu trên, với nguyên tắc hoạt động
là phát ra sóng siêu âm tác động lên vật cản và nhận tín hiệu hồi tiếp về để biết được
khoảng cách so với vật (chính xác là mặt phẳng).
Với nguyên tắc phát hiện bề mặt không cần tiếp xúc nên cảm biến không quan tâm đến
dạng chất lỏng nào hay chất rắn nào. Khi khoảng cách so với mặt phẳng thay đổi thì
tín hiệu ngõ ra cũng thay đổi theo từ 4-20mA hoặc 0-10VDC, lúc này ta sử dụng tín

6


hiệu ngõ ra của cảm biến để quy về thể tích, khối lượng, khoảng cách… thông qua
PLC hay một đồng hồ hiển thị (có thể tham khảo thêm đồng hồ hiển thị tại đây của
Shihlin Taiwan).
Thông số kỹ thuật Cảm biến siêu âm UA30CAD60PGTI
 Nguồn cấp cho cảm biến : 15-30VDC.
 Output: 4-20mm hoặc 0-10VDC, tích hợp thêm ngõ ra NPN/PNP.

 IP: 67.
 Cáp kết nối với cảm biến mặc định: dài 2m PVC.
 Thời gian đáp ứng: Nhỏ hơn 500ms
 Power on delay: <300ms.
 Nhiệt độ hoạt động: -20~70 độ C.
 Góc phát sóng: 7 độ hoặc 8 độ.
 Độ phân giải: 2 mm.
 Bán kính hoạt động: 450mm.
Nút cài đặt được tích hợp trên thân cảm biến, với những thao tác đơn giản là có thể
chọn được phạm vi hoạt động thích hợp cho ứng dụng của mình.
Đầu tiên là cấp nguồn từ 10-30VDC cho cảm biến (dây xanh âm, dây nâu dương, dây
đen 4-20mA hoặc 0-10V, dây trắng output PNP hoặc NPN).
Chọn phạm vi hoạt động cho cảm biến, ví dụ 400mm đến 800mm.
Đặt cảm biến vuông góc với mặt phảng thật lớn có bán kính 500mm trở lên và không
có bất kỳ vật cản trên đường đi của sóng với ngưỡng xa trước 800mm (rất quan trọng).
Nhấn nút một cái rồi thả ra, lúc này hai đèn trên cảm biến s chớp liên tục (ngưỡng xa
đã OK), kéo cảm biến lại gần với khoảng cáchlà 400mm (nhanh nhất là quay cảm biến
xuống đất phẳng với khoảng cách là 400mm, kéo tới, kéo lui mất công) nhấn nút một
cái rồi thả ra, hai đèn đang chớp s tắt và chớp 5 lần nữa rồi tắt lại vậy là OK cho
ngưỡng gần.

7


CHƯƠNG 2

GIỚI THIỆU PLC S7 – 1200

2.1

Giới thiệu tổng quan về PLC :

2.1.1

Khái niệm về PLC :

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. 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 thời hay các sự kiện được đếm.
PLC dùng để thay thế các mạch 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 cũng
thay đổi theo.
Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic. Hiện nay có rất nhiều
hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General
Electric, Omron…
Một khi sự kiện được kích hoạt thực 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 s 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.
Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây kết nối (bộ điều khiển
bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.
- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.
- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các Modul
mở rộng.

8


- Giá cả có thể cạnh tranh được.
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các Logic
thời gian. Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ
dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý cũng như giá cả…Chính điều này đã gây
ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp. Các tập lệnh nhanh
chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch…sau
đó là các chức năng làm toán trên máy lớn…Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ
PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn.
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển
hoặc xử lý hệ thống. Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện s được xác định bởi
một chương trình. Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC s thực
hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này. Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở
rộng chức năng của quy trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong
của bộ nhớ PLC. Việc thay đổi hay mở rộng chức năng s được thực hiện một cách dễ
dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với sử dụng các bộ dây nối hay rơ
le.
 Cấu trúc chung của PLC :
Một hệ thống điều khiển lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lý trung tâm
( CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra(I/O).

Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình
Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm ba phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống
nguồn cung cấp.

9

Hình 2.2: Sơ đồ khối tổng quát của CPU
 Hoạt động của một PLC :
Về cơ bản hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản. Đầu tiên, hệ thống các cổng
vào/ra ( Input/Output, còn gọi là các Module xuất/nhập) dùng để đưa các tín hiệu từ
các thiết bị ngoại vi vào CPU ( như các sensor, công tắc, tín hiệu từ động cơ…).
Sau khi nhận được tín hiệu ở ngõ vào thì CPU s xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển
qua Module xuất ra các thiết bị được điều khiển. Trong suốt quá trình hoạt động, CPU
đọc hoặc quét( scan) dữ liệu hoặc trạng thái của thiết bị ngoại vi thông qua ngõ vào,
sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau:
Một bộ đếm chương trình s nhặt lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh để
thi hành.
Chương trình ở dạng STL (StatemenList – Dạng lệnh liệt kê) s được dịch ra ngôn ngữ
máy cất trong bộ nhớ chương trình.
Sau khi thực hiện xong chương trình, CPU s gửi hoặc cập nhật(Update) tới các thiết
bị, được thực hiện thông qua module xuất.
Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình và cập nhập tín hiệu ở
ngõ ra được gọi là một chu kỳ quét.
Thực tế khi PLC thực hiện chương trình, PLC khi cập nhập tín hiệu ngõ vào, các tín
hiệu hiện nay không được truy xuất tức thời để đưa ra ở ngõ ra mà quá trình cập nhập
tín hiệu ở ngõ ra phải theo hai bước: khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý s
chuyển đổi các bước logic tương ứng ở ngõ ra trong chương trình nội( đã được lập

10


trình), các bước lập trình này s chuyển đổi ON/OFF. Tuy nhiên lúc này các tín hiệu ở
ngõ ra( tức tín hiệu được đưa ra tại module out) vẫn chưa được đưa ra.
Khi xử lý kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi các mức logic (của các tiếp
điểm) đã hoàn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở ngõ ra mới thực sự tác động lên
ngõ ra để điều khiển các thiết bị ở ngõ ra. Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra

với một thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện một
vòng quét từ 1ms tới 100ms. Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ
thuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị
ngoại vi (màn hình hiển thị…).
Vi xử lý có thể đọc được tín hiệu ở ngõ vào chỉ khi nào tín hiệu này tác động với
khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý coi như không có tín hiệu này.
Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thường các hệ thống chấp hành là các hệ thống cơ
khí nếu có tốc độ quét như trên có thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyền sản
xuất.
Để khắc phục thời gian quét dài, ảnh hưởng đến chu trình sản xuất các nhà thiết kế còn
thiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời, các hệ thống này thường được áp dụng cho
các PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn.
2.2 Giới thiệu PLC S7-1200 :
 Tổng quan về S7-1200 :
Năm 2009, siemens đã ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200 và
S7-300 ; So với s7-200 và S7-300 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:
- S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều
ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho
chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7- 1200. - S71200 bao gồm một bộ vi xử lý (microprocessor), một nguồn cung cấp được kích hoạt
sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO).
- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình
điều khiển:

11


+ Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC.
+ Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình.
- S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP:
+ Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC

+ Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn ethernet mở.
+ Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo.
+ Tốc độ truyền 10-100 Mbits/s.
+ Hỗ trợ 16 kết nối Ethernet.
+ TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol.
- Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:
+ 6 bộ đếm tốc độ cao dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường, trong đó có 3 bộ đếm
100kHz và 3 bộ đếm 30kHz.
+ 2 ngõ PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ tải servo +
Ngõ ra điều rộng xung P M, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển
nhiệt độ…
+ 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điều khiển. Ngoài ra
bạn có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232.
- Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic. Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn
ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 11
của Siemens.
- Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đã bao
gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.

12


2.2.1 Phần cứng PLC S7-1200
2.2.1.1 Các thành phần của PLC S7-1200 :

Hình 2.3: PLC S7 – 1200
- 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như
điều khiển AC hoặc DC phạm vi rộng.
- 2 mạch tương tự và số mở rộng điều khiển modum trực tiếp trên CPU làm giảm chi
phí sản phẩm.

- 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau
- 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP - Bổ sung 4
cổng Ethernet
- Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24VDC
 Cấu tạo của CPU :
1. Bộ phận kết nối nguồn.
2. Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được(phía sau các nắp che).
Khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên.
3. Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp.
4. Bộ phận kết nối PROFINET(phía trên của CPU).

13