BTL Điều khiển lập trình PLC cho cầu trục

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚN:
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC
ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU PLC S7-1200 KẾT HỢP VỚI BIẾN TẦN ĐIỀU
KHIỂN ĐỘNG CƠ, THIẾT KẾ HỆ THỐNG NÂNG HẠ CẦU TRỤC 3
XƯỞNG
NHÓM 4
Giảng viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

Phạm Thị Hồng Hạnh
Trần Đức An

- 1141040363

Nguyễn Tiến Anh

- 1141040360

Đặng Văn Điệp

- 1141040369

Hoàng Thị Hảo

- 1141040336

Lê Văn Hiếu

- 1141040333

Hồ Bá Vương

- 1141040320

CDCD
Mai Thế Duy

- 1141040342

Hà Nội - 2019


Khoa Điện

Điều khiển lập trình PLC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ SỐ ........
Tên đề tài:........Tìm hiểu PLC s7 1200 kết hợp biến tần điều khiển tốc độ động cơ
............................................................................................. ................................................................................ .... .................................... .......

Nhóm sinh viên thực hiện:
Lớp-Khóa:

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

số N4.......... ..................... .....................................................................

.......................... ................... ..... Đ2k6............. .................. .................................................................

..

Nội dung đánh giá:
S
Ố
T
T

THỰC HIỆN
CÁC BƯỚC THỰC HIỆN
(Ghi tóm tắt nội dung)

Kế
hoạc
h
(15
tuần)
1

Thực
hiện

Sản
phẩm đạt
được

1

Tìm hiểu cơ sở lý thuyết

2

Phân tích đối tượng điều
khiển

2

Báo cáo

3

Báo cáo

Phân tích các chỉ tiêu, chất
lượng của hệ thống điều
khiển
Lựa chọn phương pháp điều
khiển

4

Báo cáo

5

Báo cáo

6

Báo cáo

7

Báo cáo

Lựa chọn thiết bị điều khiển,
thiết bị vào, cơ cấu chấp hành
Sơ đồ nguyên lý

8

Báo cáo

9

Báo cáo

Xây dựng thuật toán điều
khiển
Viết chương trình

10

Báo cáo

11

Báo cáo

12

Báo cáo

13

mô hình,
mô phỏng
mô hình,
mô phỏng
Báo cáo

3
4
5
6
7
8
9

Lắp đặt và thử nghiệm hoặc
mô phỏng

14
10 Nhận xét kết quả
Ghi chú: -

15

Mức độ

hoàn
thành

Ghi
chú

Báo cáo

Thực hiện: Ghi thời gian hoàn thành thực tế của sinh viên

Mức độ hoàn thành: XS(xuất sắc), T(Tốt), K(khá), TB(trung bình), Y(yếu)


Khoa Điện

Điều khiển lập trình PLC

MỤC LỤC
Mục Lục........................................................................................................................ 1
Danh mục hình ảnh.....................................................................................................3
Danh mục bảng biểu....................................................................................................4
Lời Nói Đầu.................................................................................................................. 5
Chương 1: Tìm Hiểu Tổng Quan Về Thiết Bị Điều Khiển Khả Trình PLC............6
1.1

Khái niệm cơ bản và chức năng về PLC..............................................................6

1.2

Cấu trúc cơ bản của một PLC..............................................................................7

1.2.1

Bộ xử lý trung tâm ( CPU: Control Proccessing Unit).....................................7

1.2.2

Hệ điều hành:...................................................................................................9

1.2.3

Các kênh truyền ( Các Bus)............................................................................10

1.2.4

Bộ nguồn........................................................................................................10

1.2.5

Các thành phần vào/ra:...................................................................................10

1.2.6

Phương thức thực hiện chương trình của PLC................................................11

1.3 Ưu điểm của PLC so với các Rơ-le truyền thống và hệ điều khiển xung số trong
điều khiển Điện............................................................................................................13
1.4

Ứng dụng của PLC trong thực tiễn Công Nghiệp..............................................14

Chương 2: Tìm Hiểu Tổng Quan Về PLC S7-1200.................................................16
2.1 Cấu trúc phần cứng, bộ nhớ và ưu điểm của S7-1200 so với các thế hệ trước như
S7-200......................................................................................................................... 16
2.1.1

Cấu trúc phần cứng:........................................................................................16

2.1.2

Các Module CPU thông dụng.........................................................................18

2.1.3

Cấu trúc bộ nhớ..............................................................................................18

2.1.4

Những Ưu Điểm Nổi Trội Của S7-1200 So Với Các Thế Hệ Trước...............21

2.2

Các Loại Mudule Mở Rộng Cho S7-1200.........................................................23

2.3

Một số ứng dụng s7-1200 trong công nghiệp.....................................................25

Chương 3: Thiết kế, xây dựng và mô phỏng hệ thống nâng hạ cầu trục 3 xưởng 28
3.1

Hệ Truyền động điện PLC – Biến tần – Động cơ KĐB 3 pha............................28

3.2

Nguyên lý hoạt động cơ bản và Các luật điều chỉnh tần số của biến tần............28

3.3 Mục đích, ý tưởng thiết kế cơ cấu nâng hạ cầu trục 3 xưởng với 2 loại tải nặng
và nhẹ.......................................................................................................................... 32
3.4

Lựa chọn thiết bị................................................................................................32


Khoa Điện
Điều khiển lập trình PLC
3.4.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm LJ12A3-4-Z/BX NPN......................................32
3.4.2

Cảm biến tiệm cận hồng ngoại.......................................................................33

3.4.3

Động cơ giảm tốc DC 12V.............................................................................34

3.4.4

Mạch khống chế điện áp, khống chế dòng điện..............................................35

3.4.5

Nguồn tổ ong 5V-40A....................................................................................36

3.4.6

Nguồn tổ ong 12V – 10A...............................................................................36

3.5

Sơ đồ đấu nối phần cứng....................................................................................37

3.6

Thuật toán..........................................................................................................37

3.7

Chương trình điều khiển....................................................................................40

Chương 4: Kết Luận..................................................................................................48
4.1

Các kết quả thu được.........................................................................................48

4.2

Các hạn chế khi thực hiện..................................................................................48

4.3

Biện pháp khắc phục..........................................................................................48

4.4

Phương hướng phát triển...................................................................................48


Khoa Điện

Điều khiển lập trình PLC

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Hình ảnh thực tế của một PLC.......................................................................6
Hình 1.2: Cấu trúc của một bộ PLC...............................................................................7
Hình 1.3: Cấu trúc bộ nhớ của PLC...............................................................................8
Hình 2.1: Các thành phần cơ bản của PLC S7-1200....................................................17
Hình 2.2: Hình ảnh thiết kế dạng Module của S7-1200...............................................22
Hình 2.3: Khả năng mở rộng của S7-1200 so với S7-200............................................23
Hình 2.4: Module signal board (SB) SB 1232 AQ1 (12 bit)........................................23
Hình 2.5: Signal Module (SM)....................................................................................24
Hình 2.6: Module truyền thông S7-1200.....................................................................24
Hình 2.7: Module Nguồn S7-1200...............................................................................25
Hình 2.8: Hình ảnh hệ thống cầu trục ứng dụng S7-1200............................................25
Hình 2.9: Hình ảnh hệ thống băng tải ứng dụng S7-1200............................................26
Hình 2.10: Hình ảnh hệ thống chiếu sáng ứng dụng S7-1200......................................26
Hình 2.11: Hình ảnh hệ thống đóng gói sản phẩm ứng dụng S7-1200.........................27
Hình 2.12: Hình ảnh hệ thống máy trộn ứng dụng S7-1200........................................27
Hình 3.1: Cấu trúc cơ bản của biến tần........................................................................29
Hình 3.2: Sơ đồ điều khiển PLC - biến tần - động cơ KĐB.........................................30
Hình 3.3: Hình ảnh thực tế cảm biến tiệm cận điện cảm..............................................33

Hình 3.4: Hình ảnh thực tế cảm biến tiệm cận hồng ngoại..........................................33
Hình 3.5: Hình ảnh thực tế động cơ giảm tốc 12VDC – 12RPM.................................34
Hình 3.6: Hình ảnh thực tế mạch khống chế điện áp, dòng điện..................................35
Hình 3.7: Hình ảnh thực tế nguồn 5V – 40A...............................................................36
Hình 3.8: Hình ảnh thực tế nguồn 12V – 10A.............................................................36


Khoa Điện

Điều khiển lập trình PLC

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật cơ bản của các CPU tiêu biểu thuộc dòng S7-1200........18
Bảng 2.2: Bảng thông số vùng nhớ của PLC S7-1200.................................................20


Khoa Điện

Điều khiển lập trình PLC

LỜI NÓI ĐẦU
Như chúng ta đã biết, nước ta hiện nay đang trong quá trình công nghiệp hóa,
hiện đại hóa. Vì thế, tự động hóa đóng vai trò hết sức quan trọng, tự động hóa giúp
tăng năng suất, tăng độ chính xác và do đó tăng hiệu quả quá trình sản xuất. Để có thể
thực hiện được tự động hóa sản xuất, bên các các thiết bị máy móc cơ khí hiện đại, các
dây chuyển sản xuất..v.v thì cũng cần có các bộ điều khiển để điều khiển chúng. Trong
các thiết bị hiện đại được đưa vào dây truyền sản xuất tự động đó không thể không kể
đến biến tần và PLC.
Bộ biến tần không chỉ điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số,
khởi động mềm động cơ mà còn góp phần đáng kể để giảm năng lượng điện tiêu thụ

trong các cơ sở sản xuất của doanh nghiệp. Vì vậy bộ biến tần có vai trò rất quan trọng
trong đời sống và hoạt động của các doanh nghiệp.
PLC là một thiết bị điều khiển đa năng được ứng dụng rộng rãi trong công
nghiệp để điều khiển hệ thống theo một chương trình được viết bởi người sử dụng.
Nhờ hoạt động theo chương trình nên PLC có thể được ứng dụng để điều khiển nhiều
thiết bị máy móc khác nhau. Nếu muốn thay đổi quy luật hoạt động của máy móc, thiết
bị hay hệ thống sản xuất tự động, rất đơn giản ta chỉ cần thay đổi chương trình điều
khiển cho nó. Các thiết bị mà PLC có thể điều khiển rất đa dạng, từ máy bơm, máy cắt,
máy khoan, lò nhiệt … cho đến các hệ thống phức tạp hơn như băng tải, cầu trục,
thang máy, dây chuyền sản xuất..v.v Xuất phát từ đặc điểm trên mà hệ truyền động
điện PLC-biến tần- động cơ KĐB 3 pha là một trong những hệ truyền động điện phổ
biến và tối ưu nhất hiện nay.


Khoa Điện

Điều khiển lập trình PLC

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU
KHIỂN KHẢ TRÌNH PLC
1.1

Khái niệm cơ bản và chức năng về PLC.

Hình 1.1: Hình ảnh thực tế của một PLC

PLC viết tắt của cụm từ Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển
lập trình được (khả trình) hay là một loại máy tính điều khiển chuyên dụng, 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. PLC được

nghiên cứu và chế tạo bởi nhà phát minh người Mỹ Richard Morley lần đầu tiên đưa ra
ý tưởng vào năm 1968. Dựa trên yêu cầu kỹ thuật của General Motors là xây dựng một
thiết bị có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho mạch điều khiển Logic cứng.
Trước đây thiết bị này thường được gọi với cái tên Programmable Controller viết tắt là
PC, sau này khi máy tính cá nhân PC ( Personal Computer ) trở nên phổ biến thì từ
viết tắt PLC hay được dùng hơn để tránh nhầm lẫn. PLC cho phép thực hiện một loạt
các thuật toán điều khiển đó có thể là bài toán điều khiển logic, bài toán điều khiển
tuần tự hoặc bài toán điều khiển độc lập với rất nhiều các đối tượng điều khiển khác
nhau, người sử dụng chỉ cần viết ra một chương trình ( một dạng của thuật toán mà
mình muốn điều khiển dưới dạng một ngôn ngữ lập trình nào đó mà máy tính có thể
hiểu được ) sau đó PLC sẽ nhận các tín hiệu đầu vào có trong chương trình, đọc, xử lý
và xuất các tín hiệu điện ở các cổng ra để điều khiển thiết bị điện như đèn, rơ-le,


Khoa Điện
Điều khiển lập trình PLC
contactor, van điện từ ..v.v, để gián tiếp điều khiển cơ cấu chấp hành như động cơ,
xilanh khí nén, xilanh thủy lực..v.v
Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dung dây nối, người ta đã
chế tao bộ điều khiển plc nhẳm thoả mãn các yêu cẩu sau:
 Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
 Gọn nhẹ, dễ 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 module mở rộng

1.2

Cấu trúc cơ bản của một PLC

Hình 1.2: Cấu trúc của một bộ PLC

1.2.1 Bộ xử lý trung tâm ( CPU: Control Proccessing Unit)
Bao gồm 1 hay nhiều bộ vi xử lý điều hành hoạt động của toàn hệ thống.
Các bộ phận chính gồm có:
 Bộ số học và logic (ALU): xử lý dữ liệu bằng các phép tính số học và
logic;


Khoa Điện
Điều khiển lập trình PLC
 Bộ nhớ chương trình: PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp:
Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O. Làm bộ đệm trạng thái các
chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay.

Hình 1.3: Cấu trúc bộ nhớ của PLC

Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí
trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ. Địa chỉ
của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý. Bộ vi
xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo. Với một địa
chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này được gọi là
quá trình đọc.
Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có
khả năng chứa 2.000 - 16.000 dòng lệnh, tùy theo loại vi mạch. Trong PLC các bộ nhớ
như RAM, EPROM đều được sử dụng.
 Bộ nhớ dữ liệu RAM ( Random Access Memory): có thể nạp chương trình,
thay đổi hay xóa bỏ nội dung bất kỳ lúc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất

nếu nguồn điện nuôi bị mất. Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang
bị một pin khô, có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài
tháng đến vài năm. Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra
chương trình. Khuynh hướng hiện nay dùng CMOS-RAM nhờ khả năng tiêu
thụ thấp và tuổi thọ lớn.


Khoa Điện
Điều khiển lập trình PLC
 Đồng hồ xung nhịp có vai trò tạo ngắt cứng để điều khiển chương trình theo
chu kỳ ( thông thường từ 0.01s đến 1000p).
 EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory): là bộ nhớ mà
người sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào
được. Nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵn
trong máy, đã được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn. Nếu người
sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên
trong PLC. Trên PG (Programer) có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM.
 EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory): liên
kết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định. Nội dung
của nó có thể được xóa và lập trình lại, tuy nhiên số lần lưu sửa nội dung là
có giới hạn.
 Môi trường ghi dữ liệu thứ tư là đĩa cứng hoặc đĩa mềm, được sử dụng trong
máy lập trình. Đĩa cứng hoặc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được
dùng để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài.
1.2.2 Hệ điều hành:
Sau khi bật nguồn cung cấp cho bộ điều khiển, hệ điều hành của nó sẽ đặt các
counter, timer, dữ liệu và bit nhớ với thuộc tính non-retentive (không được nhớ bởi Pin
dự phòng) cũng như ACCU về 0.
Để xử lý chương trình, hệ điều hành đọc từng dòng chương trình từ đầu đến
cuối. Tương ứng hệ điều hành thực hiện chương trình theo các câu lệnh.

 Bit nhớ (Bit memoryt): Các bit memory là các phần tử nhớ, mà hệ điều
hành ghi nhớ trạng thái tín hiệu.
 Bộ đệm (Proccess Image): Bộ đệm là một vùng nhớ, mà hệ điều hành
ghi nhớ các trạng thái tín hiệu ở các ngõ vào ra nhị phân.
 Accumulator: Accumulator là một bộ nhớ trung gian mà qua nó timer
hay counter được nạp vào hay thực hiện các phép toán số học.
1.2.3 Các kênh truyền ( Các Bus)


Khoa Điện
Điều khiển lập trình PLC
Bộ nhớ chương trình, hệ điều hành và các modul ngoại vi (các ngõ vào và ngõ
ra) được kết nối với PLC thông qua Bus nối. Một Bus bao gồm các dây dẫn mà các dữ
liệu được trao đổi.
Hệ điều hành tổ chức việc truyền dữ liệu trên các dây dẫn này.
 Bus dữ liệu ( thường là 8bit ): đường dẫn các thông tin dữ liệu, mỗi dây
truyền 1 bit dạng số nhị phân
 Bus địa chỉ ( thường là 8 hoạc 16 bit): Tải địa chỉ vị trí nhớ trong bộ nhớ
 Bus điều khiển: Truyền tín hiệu điều khiển từ CPU đến các bộ phận.
 Bus hệ thống: Trao đổi trông tin giữa các cổng nhập xuất và thiết bị nhập
xuất.
1.2.4 Bộ nguồn
Cung cấp nguồn 1 chiều 5v ổn định cho CPU và các thành phần chức năng khác
từ 1 nguồn xoay chiều (110V, 220V,…) hoặc nguồn 1 chiều ( 12V, 24V).
1.2.5 Các thành phần vào/ra:
Đây là giao diện giữa CPU và quá trình kỹ thuật. Nhiệm vụ của chúng là
chuyển đổi thích ứng tín hiệu và cách ly giữa các thiết bị ngoại vi ( cảm biến, công tắc
hành trình, cơ cấu chấp hành..v.v) và CPU.
Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các modul (các đầu vào của
PLC), các cơ cấu chấp hành được nối với các modul ra (các đầu ra của PLC). Hầu hết

các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12/24VDC hoặc
100/240VAC. Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các
kênh I / O được cung cấp bởi các đèn LED trên LC, điều này làm cho việc kiểm tra
hoạt động nhập xuất trở nên dễ dàng và đơn giản hơn.
Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện việc
đóng hay ngắt mạch ở đầu ra.
 Đầu vào số (DI: Digital Input) : Các ngõ vào của khối này được kết nối
với các bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu nhị phân như nút ấn, công tắc, cảm
biến tạo tín hiệu nhị phân ,…Dải điện áp đầu vào có thể là 5VDC, 12-24
VDC/VAC, 48VDC, 100-120VAC, 200-240VAC.


Khoa Điện
Điều khiển lập trình PLC
 Đầu vạo tương tự ( AI: Analog Input): Khối này có nhiệm vụ biến đổi tín
hiệu tương tự thành tín hiệu số. Các ngõ vào của khối này thường được
kết nối với các bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu Analog như cảm biến nhiệt
độ, cảm biến lưu lượng, hay ngõ ra Analog cảu biến tần. Các chuẩn tín
hiệu tương tự thường gặp là 4-20mA, 0-5V, 0-10V.
 Đầu ra tương tự ( AO: Analog Output): Khối này có nhiệm vụ biến đổi
tín hiệu số được gửi từ CPU đến đối tượng điều khiển thành tín hiệu
tương tự. Các đầu ra của khối này được kết nối với các đối tượng điều
khiển nhận tín hiệu tương tự như ngõ vào Analog của biến tần, van điện
từ,…
 Đầu ra số ( DO: Digital Output): Các đầu ra của khối này được kết nối
với các đối tượng điều khiển nhận tín hiệu nhị phân như đèn báo, cuộn
hút relay… Có 3 loại đầu ra số là dạng Transistor ( 1 chiều), Triac ( xoay
chiều) và Relay ( 1 chiều và xoay chiều ) với các dải điện áp 5VDC,
24VDC, 12-48VDC/VAC, 120VAC, 230VDC.
1.2.6 Phương thức thực hiện chương trình của PLC

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 module 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.


Khoa Điện
Điều khiển lập trình PLC
Nếu một module 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
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.
PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vòng lặp được goi là vòng

quét ( Scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng
vào số tới vùng bộ đệm ảo ngõ vào (I), tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình.
Trong từng dòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc.
Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo
ngõ ra (Q) từ các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội
bộ và kiểm tra lỗi. Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là
thười gian vòng quét ( Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, tức là không
phải vòng quét nào cũng thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Có vòng quét
thực hiện lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tùy thuộc vào sô lệnh trong chương trình
được thực hiện, vào khối dữ liệu truyền thông… trong vòng quét đó.
Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý tính toán và việc gửi tín
hiệu điều khiển tới đối tượng có một khoang thời gian trẽ đúng bằng thời gian vòng
quét. Nói cách khac, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương
trình điều khiển trong PLC. Thời gian quét càng ngắn tính thời gian thực của chương
trình càng cao. Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc
trực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham
số. Việc truyền thông giữa bộ đểm ảo với ngoại vi do hệ điều hành CPU quản lý. Ở 1
số MODULE CPU, khi gặp lệnh vào ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công
việc khác, ngay cả chương trình xử lý, ngắt để thực hiện lệnh trực tiếp của cổng vào ra.


Khoa Điện
Điều khiển lập trình PLC
1.3 Ưu điểm của PLC so với các Rơ-le truyền thống và hệ điều khiển xung số
trong điều khiển Điện
Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng
như các khái niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có những ưu điểm sau:
 Giảm đến 80% số lượng dây nối.
 Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp .
 Khả năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho việc sửa chữa được nhanh

chóng và dễ dàng.
 Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình, khi không
có các yêu cầu thay đổi các đầu vào ra thì không cần phải nâng cấp phần
cứng
 Giảm thiểu số lượng rơle và timer so với hệ điều khiển cổ điển.
 Không hạn chế số lượng tiếp điểm sử dụng trong chương trình.
 Thời gian để một chu trình điều khiển hoàn thành chỉ mất vài ms, điều
này làm tăng tốc độ và năng suất PLC .
 Chương trình điều khiển có thể được in ra giấy chỉ trong thời gian ngắn
giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống.
 Chức năng lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học.
 Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.
 Dung lượng chương trình lớn để có thể chứa được nhiều chương trình
phức tạp.
 Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.
 Dễ dàng kết nối được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính,
kết nối mạng Internet, các Modul mở rộng.
 Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ.
 Giá bán cạnh tranh.
Đặc trưng của tất cả các dòng PLC bất kì là khả năng có thể lập trình được, chỉ
số IP ở dải quy định cho phép PLC hoạt động trong môi trường khắc nghiệt công
nghiệp, yếu tố bền vững thích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thay thế và hiệu
chỉnh chương trình dễ dàng, khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mở rộng số
lượng đầu vào nhập và đầu ra xuất được đáp ứng tuỳ nghi trong khả năng trên có thể
xem là các tiêu chí đầu tiên cho chúng ta khi nghĩ đến thiết kế phần điều khiển trung
tâm cho một hệ thống hoạt động tự động.


Khoa Điện
1.4 Ứng dụng của PLC trong thực tiễn Công Nghiệp

Điều khiển lập trình PLC

Từ các ưu điểm nêu trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh
vực khác nhau trong công nghiệp như:




















Hệ thống nâng vận chuyển.
Dây chuyền đóng gói.
Các robot lắp giáp sản phẩm .
Điều khiển bơm.
Dây chuyền xử lý hoá học.

Công nghệ sản xuất giấy .
Dây chuyền sản xuất thuỷ tinh.
Sản xuất xi măng.
Công nghệ chế biến thực phẩm.
Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn.
Dây chuyền lắp giáp Tivi.
Điều khiển hệ thống đèn giao thông.
Quản lý tự động bãi đậu xe.
Hệ thống báo động.
Dây chuyền may công nghiệp.
Điều khiển thang máy.
Dây chuyền sản xuất xe ôtô.
Sản xuất vi mạch.
Kiểm tra quá trình sản xuất .


Khoa Điện

Điều khiển lập trình PLC

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200
2.1

Cấu trúc phần cứng, bộ nhớ và ưu điểm của S7-1200 so với các thế hệ

trước như S7-200
2.1.1 Cấu trúc phần cứng:
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

S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp 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:
 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.
Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thong 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.
 S7-1200 là một dòng PLC mới của Siemens, cũng giống như model S7200, S7-1200 cũng thuộc dòng compact PLC, S7-1200 có cấu trúc phần
cứng khá giống với S7-200 gồm 1 CPU tích hợp sẵn một số đầu vào/ra,
và có khả năng mở rộng thêm đầu vào ra khi cắm thêm các module IO,
tuy nhiên S7-1200 được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (RJ45)
thay vì cổng PPI(DB9) như trên S7-200. Và download/upload chương


Khoa Điện

Điều khiển lập trình PLC
trình với PLC S7-1200 thông qua cáp mạng Ethernet thông thường

không cần cáp chuyên dụng như S7-200, S7-300.
 S7-1200 sử dụng phần mềm Step 7 Basic 10.5 (chạy trên Windows XP)
hoặc Step 7 Professional V11 hoặc V12(chạy trên Windows 7) để cấu
hình và lập trình. Phần mềm Step 7(TIA Portal) có cấu trúc khá giống
với phần mềm Step 7 Version 5 dùng cho các dòng PLC S7-300, S7-400

trước đây.
 S7-1200 có cấu hình phần cứng mạnh mẽ hơn so với S7-200 và cũng
được tích hợp sẵn 2 đầu vào Analog input sẵn trên module CPU, cùng
khả năng mở rộng tín hiệu vào/ra khi tích hợp thêm 1 signal board vào
module CPU.
Thành phần của PLC S7-1200 bao gồm:
 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau
giống như điều khiển AC, RELAY hoặc DC phạm vi rộng
 2 mạch tương tự và số mở rộng ngõ vào/ra trực tiếp trên CPU làm giảm
chi phí sản phẩm
 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau bao gồm (module SM và
SB)
 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
24 VDC

Hình 2.4: Các thành phần cơ bản của PLC S7-1200


Khoa Điện
2.1.2 Các Module CPU thông dụng

Điều khiển lập trình PLC

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật cơ bản của các CPU tiêu biểu thuộc dòng S7-1200

2.1.3 Cấu trúc bộ nhớ
Bộ nhớ gồm 48KB RAM, 48KB ROM, không có khả năng mở rộng và tốc độ
xử lý gần 0.3ms trên 1000 lệnh nhị phân, bộ nhớ được chia trên các vùng:

Vùng chứa chương trình ứng dụng:
 OBx (Organisation block): Miền chứa chương trình tổ chức, trong đó:
 Khối OB1: Khối tổ chức chính, mặc định, thực thi lặp vòng. Nó được bắt
đầu khi quá trình khởi động hoàn thành và bắt đầu trở lại khi nó kết thúc.
 Khối OB10 (Time of day interrupt): được thực hiện khi có tín hiệu ngắt
thời gian.
 Khối OB20 (Time delay interrupt): được thực hiện sau 1 khoảng thời
gian đặt trước.
 Khối OB35 (Cyclic Interrupt): khối ngắt theo chu kì định trước
 Khối OB40 (Hardware Interrupt): được thực hiện khi tín hiệu ngắt cứng
xuất hiện ở ngõ vào I124.0 I124.3
 FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm có
biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó, được phân


Khoa Điện

Điều khiển lập trình PLC
biệt bởi các số nguyên. Ví dụ: FC1, FC7, FC30ngoài ra còn có các hàm

SFC là các hàm đã được tích hợp sẵn trong hệ điều hành.
 FB (Function Block): tương tự như FC, FB còn phải xây dựng 1khối dữ
liệu riêng gọi là DB (Data Block) và cũng có các hàm SFB là các hàm
tích hợp sẵn trong hệ điều hành.
Vùng chứa các tham số hệ điều hành và chương trình ứng dụng:
 I (Process image input): Miền bộ đệm dữ liệu các ngõ vào số. Trước khi
bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc tất cả giá trị logic của các
cổng vào rồi cất giữ chúng trong vùng I. khi thực hiện chương trình CPU
sẽ sử dụng các giá trị trong vùng I mà không đọc trực tiếp từ ngõ vào số.
 Q (Process image output): tương tự vùng I, miền Q là bộ đệm dữ liệu

cổng ra số. Khi kết thúc chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ
đệm Q tới các cổng ra số.
 M (Memory): Miền các biến cờ. Do vùng nhớ này không mất sau mỗi
chu kỳ quét nên chương trìng ứng dụng sẽ sử dụng vùng nhớ này để lưu
giữ các tham số cần thiết. Có thể truy nhập nó theo bit (M), byte (MB),
theo từ (MW) hay từ kép (MD).
 T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian bao gồm việc lưu trữ các giá
trị đặt trước (PV-Preset Value), các giá trị tức thời (CV-Current Value)
cũng như các giá trị logic đầu ra của Timer.
 C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu giữ các giá trị
đặt trước (PV-Preset Value), các giá trị tức thời (CV-Current Value) cũng
như các giá trị logic đầu ra của Counter.
 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 cập miền nhớ PI theo từng byte (PIB), từng từ (PIW) hoặc theo
từng từ kép (PID).
 PQ: Miền địa chỉ cổng ra của các module tương tự (I/O External output).
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 cập miền nhớ PI theo từng byte (PQB), từng từ (PQW) hoặc
theo từng từ kép (PQD).


Khoa Điện
Vùng chứa các khối dữ liệu, được chia thành 2 loại:

Điều khiển lập trình PLC

 DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chúc thành khối. Kích

thước hay số lượng khối do người sử dụng qui định. Có thể truy nhập
miền này theo từng bit (DBX), byte( DBB), từng từ (DBW), từ kép
(DBD).
 L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương
trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụngcho các biến nháp tức thời và trao
đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối đã gọi nó. Toàn bộ vùng
nhớ sẽ bị xoá sau khi khối thực hiện xong. Có thể truy nhập theo từng bit
(L), byte (LB), từ LW), hoặc từ kép (LD).
Bảng 2.2: Bảng thông số vùng nhớ của PLC S7-1200

2.1.4 Những Ưu Điểm Nổi Trội Của S7-1200 So Với Các Thế Hệ Trước
Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:
 Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLCPLC
 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


Khoa Điện





Điều khiển lập trình PLC
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 (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và

đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz
 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ
lái servo (servo drive)
 Ngõ ra điều rộng xung PWM, 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 điểu khiển
(auto-tune functionality)
Thiết kế linh hoạt:
 Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắn
trực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà không thay
đổi kích thước hệ điều khiển
 Mỗi CPU có thể kết nối tối đa 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra.
 Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU
 3 module truyền thông có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyền
thông, vd module RS232 hay RS485
 Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương
trình ứng dụng hay khi cập nhật firmware
 Chẩn đoán lỗi online / offline
 S7-1200 được thiết kế dưới dạng module nhỏ gọn, chi phí thấp, và một
tập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng
với S7-1200
 S7-1200Tích hợp cổng truyền thông Profinet (Ethernet) tạo sự dễ dàng
trong kết nối.
 Simatic S7 – 1200 với Simatic HMI Basic được lập trình chung trên một
nền phần mềm là TIA Portal (Simatic Step 7 Basic, WinCC Basic) hoặc
version cao hơn. Các thao tác lập trình thực hiện theo cách kéo – thả, do
đó tạo sự dễ dành cho người sử dụng, lập trình nhanh chóng, đơn giản,
chính xác trong sự truyền thông kết nối theo tags.
 Tích hợp sẵn các đầu vào ra, cùng với các board tín hiệu, khi cần mở
rộng ứng dụng với số lượng đầu vào ra ít sẽ tiết kiệm được chi phí,

không gian và phần cứng.


Khoa Điện
Điều khiển lập trình PLC
 Dễ dàng cho người sử dụng sản phầm trong việc mua gói thiết bị.

Hình 2.5: Hình ảnh thiết kế dạng Module của S7-1200

Hình 2.6: Khả năng mở rộng của S7-1200 so với S7-200

2.2

Các Loại Mudule Mở Rộng Cho S7-1200
PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài để

mở rộng chức năng của CPU. Ngoài ra, có thể cài đặt thêm các module truyền thông
để hỗ trợ giao thức truyền thông khác. Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc
vào các đặc tính, thông số và quy định của nhà sản xuất.
S7-1200 có các loại module mở rộng sau:
 Signal Board(SB) : một dạng module mở rộng tín hiệu vào/ra với số
lượng tín hiệuít, giúp tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng yêu cầu mở


Khoa Điện

Điều khiển lập trình PLC
rộng số lượng tín hiệu ít. Gồm các board: 1 cổng tín hiệu ra analog 12 bit
(0-10VDC, 0-20mA).

Hình 2.7: Module signal board (SB) SB 1232 AQ1 (12 bit)

 Signal Module (SM): tín hiệu module cho các đầu vào và đầu ra Analog
(cho CPU 1212C tối đa của 2 SM có thể sử dụng, cho 1214C tối đa là 8).
 Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được gắn trực tiếp vào phía bên
phải củaCPU. Với dải rộng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog,
giúp linh hoạt trong sử dụng S7-1200. Tính đa dạng của các module tín
hiệu vào/ra sẽ được tiếp tục phát triển

Hình 2.8: Signal Module (SM)


Khoa Điện
Điều khiển lập trình PLC
 Communication module (CP): Module truyền thông giao tiếp với RS 232
và RS 485

Hình 2.9: Module truyền thông S7-1200

 Module nguồn: Sử dụng module nguồn PM 1207 có các thông số: Input:
120/230V AC 50/60Hz, 1.2A/0.7A Output: 24V DC / 2.5A. Module
CSM1277 có 4 cổng cẳm RJ45, tốc độ 10/100Mb/s

Hình 2.10: Module Nguồn S7-1200

2.3

Một số ứng dụng s7-1200 trong công nghiệp
Cùng với tính năng và ưu điểm của mình. PLC S7-1200 có những ứng dụng

thực tế trong các mô hình sau:
 Hệ thống cầu trục