MÔ HÌNH CHĂM sóc HEO tự ĐỘNG có điều KHIỂN và GIÁM sát QUA hệ THỐNG SCADA TRÊN máy TÍNH

TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
----o0o---Tp. HCM, ngày … tháng … năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Huỳnh Văn Sanh
MSSV: 15141264
Võ Duy Tâm
MSSV: 15141278
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử truyền thông Mã ngành: 41
Hệ đào tạo:
Đại học chính quy
Mã hệ: 1
Khóa: 2015
Lớp: 15141DT1B
15141DT2B
I. TÊN ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH CHĂM SÓC HEO TỰ ĐỘNG CÓ ĐIỀU KHIỂN
VÀ GIÁM SÁT QUA HỆ THỐNG SCADA TRÊN MÁY TÍNH
II. NHIỆM VỤ
Nội dung thực hiện:
 Nội dung 1: Tìm hiểu về cảm biến loadcell, mạch khuếch đại tín hiệu loadcell,
PLC S7 – 1200.
 Nội dung 2: Đo khối lượng thức ăn cần trộn cho mỗi lần ăn, nhiệt độ cần thiết
cho chuồng heo, và các nhu cầu cơ bản của heo như tắm và uống.
 Nội dung 3: Thiết kế mô hình trộn thức ăn, bồn nước và máng ăn, uống.
 Nội dung 4: Thiết kế mô hình toàn hệ thống.

 Nội dung 5: Thi công mô hình hệ thống cơ khí, hệ thống điện.
 Nội dung 6: Viết chương trình điều khiển cho hệ thống.
 Nội dung 7: Thiết kế giao diện giám sát SCADA, giao diện hiển thị dữ liệu
cảm biến online.
 Nội dung 8: Đánh giá kết quả thực hiện, cải tiến mô hình.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/02/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/07/2019
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

GVC, ThS. Hoàng Ngọc Văn

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

i


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
----o0o---Tp. HCM, ngày… tháng … năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Huỳnh Văn Sanh
Lớp: 15141DT1B
Họ tên sinh viên 2: Võ Duy Tâm
Lớp: 15141DT2B

MSSV: 15141264
MSSV: 15141278

Tên đề tài: Mô hình chăm sóc heo tự động có điều khiển và giám sát qua hệ
thống SCADA trên máy tính.
Tuần/ngày
Tuần 1 (1824/02/2019)
Tuần 2
(25/02/201903/03/2019)
Tuần 3 (0410/03/2019)
Tuần 4 (11 - 17
/03/2019)
Tuần 5,6
(18 31/03/2019)
Tuần 7,8(01/0414/04/2019)
Tuần 9,10,11,12
(15/04 12/05/2019)
Tuần 13,14
(13/05 26/05/2019)
Tuần 15 (27/05 02/06/2019)
05/07/2019

Nội dung

Xác nhận GVHD

Nhận đồ án, tìm hiểu đề tài
Tìm hiểu nội dung và hướng làm đề tài của
việc điều khiển một hệ thống bằng PLC.
Tìm hiểu PLC S7 – 1200, các cảm biến.

Tiến hành thiết kế phần cứng cho cảm biến
loadcell
Tiến hành thiết kế phần cứng cho toàn hệ
thống.
Tiến hành thiết kế và thi công hệ thống
điện.
Tiến hành lập trình cho hệ thống.
Thiết kế giao diện giám sát SCADA, giao
diện hiển thị dữ liệu cảm biến online.
Viết báo cáo, kiểm tra các phần cứng, hiệu
chỉnh.
Hoàn thành nhiệm vụ đồ án.
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

ii


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và không sao
chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Nếu có bất kỳ sự gian lận nào chúng
tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung đồ án của mình.

Người thực hiện
Huỳnh Văn Sanh

Võ Duy Tâm

iii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trường
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM nói chung, các thầy cô và sinh viên trong khoa
Điện – Điện Tử nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng
như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều
kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập.
Em cũng xin gửi lời tri ân và biết ơn sâu sắc đến GVC, ThS. Hoàng Ngọc Văn
người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm khoá luận.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều
kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành
khoá luận tốt nghiệp.

Sinh viên thực hiện đồ án
Huỳnh Văn Sanh

Võ Duy Tâm

iv


MỤC LỤC
Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp .......................................................................................... i
Lịch trình thực hiện đồ án tốt nghiệp ......................................................................... ii
Lời cam đoan ............................................................................................................. iii
Lời cảm ơn ................................................................................................................ iv
Mục lục ........................................................................................................................v
Liệt kê hình vẽ ......................................................................................................... viii
Liệt kê bảng .................................................................................................................x

Tóm tắt ...................................................................................................................... xi
Chương 1. TỔNG QUAN .........................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu ......................................................................................................... 1
1.3. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 2
1.4. Giới hạn ......................................................................................................... 2
1.5. Bố cục ............................................................................................................ 2
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................4
2.1. Tổng quan về hệ thống chăm sóc heo tự động .............................................. 4
2.2. Tổng quan về plc và plc s7-1200 ................................................................... 4
2.2.1. Tổng quan về plc .......................................................................................... 4
2.2.2. Giới thiệu về plc s7- 1200 ............................................................................ 8
2.3.

Hệ thống điều khiển điện- khí nén .............................................................. 13

2.3.1. Những đặc điểm cơ bản ............................................................................. 13
2.3.2. Cấu trúc của hệ thống khí nén ................................................................... 14
2.4. Cảm biến lực loadcell .................................................................................. 16
2.4.1. Giới thiệu về cảm biến lực loadcell ........................................................... 16
v


2.4.2. Loadcell hoạt động như thế nào? ............................................................... 16
2.5. Giới thiệu bộ chuyển đổi loadcell rw-st01a................................................. 19
2.6. Biến tần mitsubishi fr-e700 ......................................................................... 20
2.6.1. Giới thiệu biến tần ..................................................................................... 20
2.6.2. Nguyên lí hoạt động của biến tần .............................................................. 20
2.6.3. Biến tần Mitsubishi FR-E700 .................................................................... 21
2.7. Relay điện cực báo mức nước ..................................................................... 22

2.8.

Van điện từ ................................................................................................ 23

2.8.1. Giới thiệu van điện từ ................................................................................ 23
2.8.2. Các thông số ............................................................................................... 24
2.9. Một số linh kiện khác .................................................................................. 24
2.9.1. Nút nhấn ..................................................................................................... 24
2.9.2. Nút dừng khẩn cấp ..................................................................................... 24
2.9.3. MCB ........................................................................................................... 25
2.9.4. Relay trung gian 8 chân điện áp 24V ......................................................... 25
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ..............................................................26
3.1. Mô hình hệ thống ......................................................................................... 26
3.1.1. Giới thiệu về hệ thống................................................................................ 26
3.1.2. Chức năng từng phần ................................................................................. 26
3.2. Tính toán và thiết kế hệ thống ..................................................................... 26
3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................... 26
3.2.3. Sơ đồ kết nối plc với toàn hệ thống ........................................................... 35
3.2.4 thiết kế phần khung hệ thống ...................................................................... 38
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .....................................................................40
4.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 40
4.2. Thi công hệ thống ........................................................................................ 40
vi


4.2.1. Thi công phần khung của hệ thống ............................................................ 40
4.2.2. Thi công tủ điện ......................................................................................... 41
4.3. Lập trình cho hệ thống ................................................................................. 42
4.3.1. Lưu đồ giải thuật ........................................................................................ 42
4.3.2. Phần mềm lập trình cho plc ....................................................................... 48

Chương 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ .............................................56
5.1. Kết quả ......................................................................................................... 56
5.1.1. Kết quả nghiên cứu: ................................................................................... 56
5.1.2. Kết quả thi công ......................................................................................... 56
5.2. Nhận xét – đánh giá. .................................................................................... 59
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................60
6.1. Kết luận........................................................................................................ 60
6.2. Hướng phát triển .......................................................................................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................62
PHẦN PHỤ LỤC.....................................................................................................63

vii


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2. 1. Tổng quan PCL S7- 1200........................................................................... 9
Hình 2. 2. Bảng tín hiệu của PLC S7- 1200. ............................................................. 11
Hình 2. 3. Các Module tín hiệu PLC S7- 1200. ........................................................ 12
Hình 2. 4. Các module truyền thông PLC S7- 1200. ................................................ 13
Hình 2. 5. Cấu trúc hệ thống điều khiển khí nén. ..................................................... 15
Hình 2.6. Hệ thống điện - khí nén. ........................................................................... 15
Hình 2. 7. Loadcell thanh. ......................................................................................... 17
Hình 2. 8. Cầu điện trở Wheatstone. ......................................................................... 17
Hình 2. 9. Nguyên lí hoạt động của loadcell. ............................................................ 18
Hình 2. 10. Bộ khuếch đại tín hiệu loadcell. ............................................................. 19
Hình 2. 11. Nguyên lí hoạt động của biến tần........................................................... 21

Hình 2. 12. Biến tần mitsubishi FR-E700. ................................................................ 22
Hình 2. 13. Relay điện cực. ....................................................................................... 23
Hình 2. 14. Van điện từ. ............................................................................................ 23
Hình 2. 15. Nút nhấn. ................................................................................................ 24
Hình 2. 16. Nút dừng khẩn cấp. ................................................................................ 25
Hình 2. 17. MCB. ...................................................................................................... 25
Hình 2. 18. Relay trung gian 24V. ............................................................................ 25
Hình 3. 1. Sơ đồ khối của hệ thống. ..........................................................................27
Hình 3. 2. Sơ đồ kết nối loadcell với mạch khuếch đại. ...........................................28
Hình 3. 3. Xi lanh khí nén. ........................................................................................29
Hình 3. 4. Xi lanh tròn. .............................................................................................30
Hình 3. 5. Van điện từ. ..............................................................................................30
Hình 3. 6. Van điện từ 5/2. ........................................................................................31
Hình 3. 7. Sơ đồ kết nối của van điện từ 5/2 với PLC. .............................................31
Hình 3. 8. Một số loại động cơ 3 pha. .......................................................................32
Hình 3. 9. Biến tần Mitsubishi FR-E700. .................................................................32
Hình 3. 10. CPU 1212C và module mở rộng SM1223. ............................................34
Hình 3. 11. Sơ đồ kết nối cơ bản của CPU 1212C. ...................................................34
Hình 3. 12. Nguồn 24VDC. ......................................................................................35
viii


Hình 3. 13. Sơ đồ kết nối toàn hệ thống. ...................................................................36
Hình 3. 14. Sơ đồ kết nối biến tần Misubishi FR- E700. .........................................36
Hình 3. 15. Sơ đồ kết nối loadcell với AI của CPU. ................................................37
Hình 3. 16. Mạch động lực xilanh.............................................................................37
Hình 3. 17. Thiết kế mặt trước của hệ thống.............................................................38
Hình 3. 18. Thiết kế mặt sau của hệ thống. ...............................................................38
Hình 3. 19. Thiết kế mặt bên của hệ thống. ..............................................................39
Hình 4. 1. Mặt trước và sau của hệ thống. ................................................................ 40

Hình 4. 2. Mặt bên và trên của hệ thống. .................................................................. 41
Hình 4.3. Bên ngoài tủ điện. ..................................................................................... 41
Hình 4.4. Bên trong tủ điện. ...................................................................................... 42
Hình 4. 5. Lưu đồ giải thuật. ..................................................................................... 47
Hình 4. 6. Tia Portal V13. ......................................................................................... 49
Hình 4. 7. Giao diện bắt đầu của chương trình. ........................................................ 49
Hình 4. 8. Giao diện tạo dự án mới. .......................................................................... 50
Hình 4. 9. Giao diện bắt đầu của dự án mới.............................................................. 50
Hình 4. 10. Giao diện Devices & networks. ............................................................. 50
Hình 4.11. Giao diện Add new device. ..................................................................... 51
Hình 4. 12. Giao diện làm việc. ................................................................................ 51
Hình 4.13. Giao diện viết chương trình. ................................................................... 51
Hình 4.14. Giao diện đăng nhập vào màn hình quản lí hệ thống. ............................. 52
Hình 4. 15. Giao diện SCADA quản lí hệ thống....................................................... 52
Hình 4. 16. Biểu tượng Visual studio........................................................................ 54
Hình 4. 17. Giao diện tạo một project mới. .............................................................. 54
Hình 4. 18. Giao diện lựa chọn. ................................................................................ 55
Hình 4. 19. Cấu hình cho web. .................................................................................. 55
Hình 5. 1. Mặt trước của hệ thống. ........................................................................... 56
Hình 5. 2. Mặt bên của hệ thống. .............................................................................. 57
Hình 5. 3. Giao diện Home của trang web. ............................................................... 57
Hình 5. 4. Giao diện thông tin về dự án. ................................................................... 58
Hình 5. 5. Giao diện truy xuất toàn bộ dữ liệu cảm biển. ......................................... 58
Hình 5. 6. Giao diện truy xuất dữ liệu theo thời gian và tên cảm biến. .................... 59
ix


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2. 1. Bảng phân loại chức năng của các dòng PLC S7- 1200. ........................... 9
Bảng 2. 2. Bảng các module hỗ trợ PLC S7- 1200. .................................................. 11
Bảng 2. 3. Bảng thông số bộ khuếch đại tín hiệu loadcell. ....................................... 20

x


TÓM TẮT
Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện
tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực
khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp tự động hóa… Do đó chúng ta cần phải nắm
bắt và vận dụng điều khiển tự động một cách hiệu quả nhằm đóng góp vào sự phát
triển khoa học kỹ thuật của thế giới nói chung và trong sự phát triển của kỹ thuật điều
khiển tự động nói riêng.
Xuất phát từ những lần tham quan các doanh nghiệp có dây chuyền sản xuất,
các trang trại chăn nuôi công nghiệp, chúng em đã được thấy nhiều khâu tự động hóa
trong qui trình chăn nuôi tạo ra các sản phẩm chăn nuôi chất lượng cao. Một trong đó
là các trang trại chăn nuôi giám sát các nhu cầu cơ bản của vật nuôi sử dụng bộ điều
khiển lập trình PLC Siemens.
Sau khi tìm hiểu, nghiên cứu về các đề tài và công trình trước đây, nhóm quyết
định chọn đề tài: “MÔ HÌNH CHĂM SÓC HEO TỰ ĐỘNG CÓ ĐIỀU KHIỂN
VÀ GIÁM SÁT QUA HỆ THỐNG SCADA TRÊN MÁY TÍNH”.
Với đề tài này, nhóm hy vọng sẽ làm cơ sở nghiên cứu cho các nhóm sau có thể mở
rộng, phát triển nữa. Nếu được điều chỉnh tốt, ý tưởng này kết hợp với hệ thống làm
sạch trang trại chăn nuôi, thu gom và xử lí chất thải … sẽ tạo ra một hệ thống phân
trang trại nuôi heo thông minh hoàn thiện.

xi

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1.

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện
tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực
khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp tự động hóa… Do đó chúng ta cần phải nắm
bắt và vận dụng điều khiển tự động một cách hiệu quả nhằm đóng góp vào sự phát
triển khoa học kỹ thuật của thế giới nói chung và trong sự phát triển của kỹ thuật điều
khiển tự động nói riêng.
Xuất phát từ những lần tham quan các doanh nghiệp có dây chuyền sản xuất,
chúng em đã được thấy nhiều khâu tự động hóa trong quá trình sản xuất. Một trong
những ứng dụng đó là áp dụng vào quy trình chăn nuôi bằng hệ thống cho ăn, uống
và giám sát các nhu cầu khác của heo một cách tự động sử dụng bộ điều khiển lập
trình PLC Siemens.
Sau khi tìm hiểu, nghiên cứu về các đề tài và công trình trước đây, nhóm quyết
định chọn đề tài: “MÔ HÌNH CHĂM SÓC HEO TỰ ĐỘNG CÓ ĐIỀU KHIỂN
VÀ GIÁM SÁT QUA HỆ THỐNG SCADA TRÊN MÁY TÍNH”.
Đã có khá nhiều đề tài thực hiện việc chăm sóc các loại vật nuôi khác nhau như
cá, bò. Nhưng với mỗi loại vật nuôi lại có nhưng nhu cầu về ăn uống khác nhau thì
lại cần có những mô hình khác nhau. Vì vậy ta cần một hướng xử lí phù hợp hơn với
từng loại vật nuôi mà ở đây đối tượng chăn nuôi là heo.
Và nhiều hệ thống chăn nuôi chỉ thực hiện việc cho ăn uống mà chưa thực hiện
giám sát, lưu trữ dữ liệu, quản lý. Vì vậy chúng ta cần xây dựng việc giám sát hệ
thống.

1.2.

MỤC TIÊU
Với đề tài này mục tiêu mà nhóm đề ra là tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn và

PLC S7 – 1200 và các ứng dụng trong thực tế. Từ đó thiết kế và thi công mô hình
chăm sóc heo tự động. Bên cạnh đó là điều khiển và giám sát hoạt động của mô hình
trên máy tính.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1.3.

 NỘI DUNG 1: Nghiên cứu tài liệu về PLC S7 -1200, cảm biến loadcell, biến
tần Mitsubishi FR-E700, relay điện cực báo mực nước, relay trung gian và các van
khí nén.
 NỘI DUNG 2: Dựa trên các dữ liệu thu thập được, dựa trên khối lượng thức
ăn định trước, tiến hành lựa chọn giải pháp thiết kế và thi công mô hình. Kết nối các
ngoại vi với PLC, động cơ với biến tần.
 NỘI DUNG 3: Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển cho
PLC. Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát hệ thống, giao diện hiển thị dữ liệu
online.
 NỘI DUNG 4: Thử nghiệm và điều chỉnh phần mềm, phần cứng để mô hình
được tối ưu, sử dụng dễ dàng. Đánh giá các thông số của mô hình so với thông số

thực tế, hiệu suất hoạt động của hệ thống so với tính toán.
 NỘI DUNG 5: Viết báo cáo thực hiện.
 NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện.

1.4.

GIỚI HẠN
 Mô hình quy mô còn nhỏ.
 Mô hình còn chưa tối ưu, hình dáng còn thô kệch.
 Độ chính xác tương đối.
 Tốc độ còn chậm do là điều khiển tuần tự.

1.5.

BỐ CỤC
 Chương 1: Tổng Quan.
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
 Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế.
 Chương 4: Thi Công Hệ Thống.
 Chương 5: Kết Quả - Nhận Xét - Đánh Giá.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
Chương 1: Tổng Quan.
Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung
nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án.

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống, các chuẩn truyền,
giao thức.
Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế.
Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống.
Chương 4: Thi Công Hệ Thống.
Thi công hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình.
Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá.
Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ
thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống.
Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
Trình bày những kết luận về hệ thống những phần làm rồi và chưa làm, đồng
thời nêu ra hướng phát triển cho hệ thống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHĂM SÓC HEO TỰ ĐỘNG.
Nhu cầu ăn và uống là hai nhu cầu cơ bản và thiết yếu nhất đối với một trang
trại nuôi heo, việc quản lí ăn uống này có thể thực hiện bởi con người nhưng như vậy
đối với một trang trại lớn thì sẽ tốn nhiều nhân công và việc quản lí các số liệu về
lượng thức ăn cho heo cũng trở nên khó khăn, vì thế một hệ thống quản lí việc ăn
uống và các số liệu về lượng thức ăn trong ngày là vô cùng cần thiết.

2.2.

TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PLC S7-1200

2.2.1. Tổng quan về PLC
2.2.1.1. Giới thiệu
Kỹ thuật điện tử đã phát triển đến trình độ kỳ diệu và sẽ có những tiến bộ vượt
bật trong tương lai. Nó góp phần không nhỏ và sản xuất công nghiệp. Nhất là trong
giai đoạn hội nhập hiện nay. Các doanh nghiệp không ngần ngại hạ giá thành sản
phẩm tăng sức cạnh tranh với các công ty khác. Một trong những giải pháp về trang
thiết bị hiện đại này là PLC. PLC có khả năng vận hành tự động theo một quy trình
định sẵn mà không cần có sự tham gia của con người lúc vận hành. Bởi tất cả những
gì cần thiết cho ra đời một loạt sản phẩm đã tích hợp tất cả trong một thiết bị nhỏ gọn
đó là PLC. Hệ thống tự động này gần như tối ưu khi kết hợp với máy vi tính để điều
khiển và kiểm soát quá trình sản xuất hoàn toàn chỉ trên máy vi tính.
Thật ra hệ thống điều khiển tự động này đã xuất hiện từ năm 1970 và nhanh
chóng trở thành sự lựa chọn cho việc sản xuất. Nhưng ở Việt Nam, còn khá nhiều
công ty hoàn toàn xa lạ với PLC. Tại sao như vậy? Về giá thành? Đúng là PLC còn
khá đắt nhưng chỉ với một công ty sản xuất thì giữa đầu tư ban đầu đó với những lợi
ích nó đem lại thì giá thành không đáng quan tâm lắm. Thật ra là do ngại thay đổi, do
chưa hiểu nhiều về PLC nên khi vận hảnh, bảo trì, bảo dưỡng, thay đổi chương trình
gặp không ít khó khăn cho người sử dụng. Vì vậy cần chủ động tiếp cận, khi nắm bắt
được rồi vấn đề chuyển giao công nghệ không còn đáng lo và PLC có thể hiện tính
ưu việt nhờ sự hiểu biết của người sử dụng. Vậy PLC là gì? Hy vọng nội dung được
đề cập trong đồ án này giúp người đọc hiểu hơn về PLC.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2.1.2. PLC là gì?

PLC là viết tắt của Programmable Logic Controller có nghĩa là thiết bị điều
khiển logic khả trình. Sự phát triển của PLC đã mang lại nhiều thuận lợi và làm cho
các thao tác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn. Nó có khả năng thay
thế hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng relay (loại thiết bị
phức tạp và cồng kềnh); khả năng điều khiển dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập
trình trên các lệnh logic cơ bản; khả năng định thời, đếm; giải quyết các vấn đề toán
học và công nghệ; khả năng tạo lập, gởi đi, tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích
kiểm soát sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng của máy hoặc một dây chuyển
công nghiệp.
 Như vậy những đặc điểm làm cho PLC có tính năng ưu việt và tích
hợp trong môi trường công nghiệp:
 Khả năng kháng nhiễu tốt.
 Cấu trúc dạng module rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải
tạo nâng cấp…
 Có những module chuyên dụng để thực hiện chức năng đặc biệt hay
những module truyền thông để kết nối PLC với mạng công nghiệp
hoặc qua mạng internet.
 Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan
trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động.
Thuộc vào hệ sản xuất linh hoạt do tính thay đổi được do chương trình hoặc
thay đổi trực tiếp các thông số mà không cần thay đổi lại chương trình.
2.2.1.3. Cấu trúc phần cứng của PLC
 Các thành phần cơ bản của một PLC thường có các module phần cứng sau:
 Module nguồn.
 Module đơn vị xử lý trung tâm.
 Module bộ nhớ chương trình và dữ liệu.
 Module đầu vào.
 Module đầu ra.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Module phối ghép (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông nội bộ).
 Module chức năng (để hỗ trợ cho vấn đề truyền thông mạng).
2.2.1.4. Cấu trúc bộ nhớ PLC
 Bộ nhớ chia làm 3 vùng chính
 Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình được chia làm
miền:
 Organisation block: Miền chứa chương trình tổ chức, chứa chương trình chính,
các lệnh trong khối này luôn được quét.
 Subroutine (Chương trình con): Miền chứa chương trình con, được tổ chức
thành hàm và có biến hình thức để trao đổi dữ liệu, chương trình con này sẽ
được thực hiện khi nó được gọi trong chương trình chính.
 Interrup (Chương trình ngắt): Miền chứa chương trình ngắt được tổ chức thành
hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác.
Chương trình này sẽ được thực hiện khi có sự kiện ngắt xảy ra. Có rất nhiều sự
kiện ngắt như: Ngắt thời gian, ngắt xung tốc độ cao …
 Vùng chứa tham số của hệ điều hành: chia thành miền khác nhau:
 I (Process Image Input): Miền dữ liệu các cổng vào số, trước khi bắt đầu thực
hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cất
giữ chúng trong vùng nhớ I. Thông thường chương trình ứng dụng không đọc
trực tiếp trạng thái logic của công vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ
đệm I.
 Q (Process Image Output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc giai
đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các
cổng ra số. Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng
ra mà chỉ chuyển chúng tới bộ đệm Q.
 M (Miền các biến cờ): Chương trình ứng dụng sử dụng những biến này dể lưu

giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập theo bit (M), byte (MB), từ (MW)
hay từ kép (MW).

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu giữ giá trị
thời gian đặt trước (PV- Preset Value), giá trị đếm thời gian tức thời (CVCurrent Value) cũng như giá trị Logic đầu ra của bộ thời gian.
 C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt trước
(PV- Preset Value), giá trị đếm tức thời (CV- Current Value) và giá trị logic đầu
ra của bộ đệm.
 Vùng dữ liệu.
Vùng dữ liệu là một vùng nhớ động. Nó có thể được truy cập theo từng bit, từng
byte, từng từ đơn (word) hay từ kép (double word) và được sử dụng làm miền lưu trữ
dữ liệu cho các thuật toán, các hàm truyền thông, lập bảng, các hàm dịch chuyển,
xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ…
2.2.1.5. Xử lý chương trình
PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng
quét (Scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng việc đọc dữ liệu từ các cổng vào cùng
bộ đệm ảo, tiếp theo giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương
trình thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh kết thúc. Sau giai đoạn thực
hiện chương trình là giai đoạn truyền thông và kiểm tra lỗi, vòng quét được kết thúc
bằng giai đoạn chuyền các nội dung của bộ đệm ảo đến cổng ra.
2.2.1.6. Cấu trúc chương trình
Chương trình trong S7-1200 được lưu trong bộ nhớ PLC ở vùng dành riêng cho
chương trình và có thể được lập với 2 dạng cấu trúc khác nhau:
 Lập trình có cấu trúc: chương trình được chia thành những phần nhỏ và mỗi
phần thực thi những nhiệm vụ riêng biệt của nó, từng phần này nằm trong những

khối chương trình khác nhau. Loại hình cấu trúc này phù hợp với những bài toán
điều khiển nhiểu nhiệm vụ và phức tạp. PLC S7-1200 có 3 loại khối cơ bản sau:
 Loại khối organization Block: khối tổ chức và quản lí chương tình điều
khiển. khối này luôn được thực thi và luôn được quét trong mỗi chu kì quét.
 Loại khối chương trình con: Khối chương trình với những chức năng
riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm (chương trình con có biến

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
hình thức). Một chương trình ứng dụng có nhiểu khối chương trình con và các khối
chương trình con này được phân biệt với nhau bằng tên của chương trình con đó.
 Lập trình tuyến tính: toàn bộ chương trình nằm trong một khối bộ nhớ. Loại
hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động nhỏ. Không phức
tạp. Khối được chọn phải là khối organization Block mà PLC luôn quét và thực hiện
tổng các lệnh đó thường xuyên. Từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối và quay lại lệnh đầu
tiên.
 Loại khối chương tình ngắt: là khối chương trình đặc biệt có khả năng
trao đổi 1 lượng lớn với các khối chương trình khác. Chương trình sẽ được thực
thi mỗi khi có sự kiện ngắt xảy ra.
2.2.2. Giới thiệu về PLC S7- 1200
2.2.2.1. Khái niệm chung PLC S7- 1200
Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7200. So với S7-200 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 S71200 -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 có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc
RS232.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
- Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic. Step7 Basic hỗ trợ
ba ngôn ngữ lập trình là LAD, FBD và STL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA
Portal 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.

Hình 2. 1. Tổng quan PCL S7- 1200.
Chú thích:
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).
2: 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.
Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng
giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Bảng 2. 1. Bảng phân loại chức năng của các dòng PLC S7- 1200.

Chức năng
Kích thước vật lý (mm)

CPU 1211C

CPU 1212C

90 x 100 x 75

CPU 1214C
110 x 100 x 75

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Bộ nhớ người dùng:


Bộ nhớ làm việc

 25 kB

 50 kB



Bộ nhớ nạp

 1 MB

 2 MB



Bộ nhớ giữ lại

 2 kB

 2 kB

I/O tích hợp cục bộ


Kiểu số



Kiểu tương tự

 6 ngõ vào

 8 ngõ vào / 6

/ 4 ngõ ra

 14 ngõ vào /

ngõ ra

 2 ngõ ra

10 ngõ ra

 2 ngõ ra

 2 ngõ ra

Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)
Bộ nhớ bit (M)

4096 byte

Độ mở rộng các module
tín hiệu

Không

2

Bảng tín hiệu



Đơn pha

8

1

Các module truyền thông
Các bộ đếm tốc độ cao

8192 byte

3 (mở rộng về bên trái)
3

4
 3 tại 100

kHz

6
 3 tại 100 kHz

1 tại 30 kHz
 3 tại 80 kHz

 Vuông pha
 3 tại 80 kHz

1 tại 20 kHz

 3

tại 100
kHz 3 tại 30
kHz

 3 tại 80 kHz

3 tại 20 kHz
Các ngõ ra xung
Thẻ nhớ

2
Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Thời gian lưu giữ đồng hồ Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C
thời gian thực
PROFINET

1 cổng truyền thông Ethernet

Tốc độ thực thi tính toán 18 μs/lệnh
thực
Tốc độ thực thi Boolean 0,1 μs/lệnh
Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu để
mở rộng dung lượng của CPU. Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các module truyền
thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác.[1]

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bảng 2. 2. Bảng các module hỗ trợ PLC S7- 1200.

Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra

Module

8 x DC In

8 x DC Out

Kết hợp In/Out
8 x DC In / 8 x DC Out

8 x Relay Out 8 x DC In / 8 x Relay Out
Module
tín hiệu

Kiểu
số

16 x DC In

16 x DC Out
16 x Relay

(SM)

Out
Kiểu

4 x Analog In

2 x Analog In

16 x DC In / 16 x DC Out
16 x DC In / 16 x Relay
Out
4 x Analog In / 2 x Analog
Out

tương 8 x Analog In 4 x Analog In
tự
Kiểu _
_
2 x DC In / 2 x DC Out
Bảng tín hiệu số
Kiểu
(SB)
_
1 x Analog In _
tương
tự
Module truyền thông (CM)


RS485



RS232

2.2.2.2. Các bảng tín hiệu

Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU. Người
dùng có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự. SB kết nối vào phía
trước của CPU.
 SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC).
 SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự.

Hình 2. 2. Bảng tín hiệu của PLC S7- 1200.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
11


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chú thích:
1: Các LED trạng thái.
2: Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra.
2.2.2.3. Các module tín hiệu
Người dùng có thể sử dụng các module tín hiệu để thêm vào CPU các chức
năng. Các module tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU.

Hình 2. 3. Các Module tín hiệu PLC S7- 1200.
Chú thích:
1: Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu.
2: Bộ phận kết nối đường dẫn.
3: Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra.
2.2.2.4. Các module truyền thông
Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính năng bổ
sung vào hệ thống. Có 2 module truyền thông: RS232 và RS485.
 CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông.
 Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU (hay về phía bên trái của một CM

khác).

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
12


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2. 4. Các module truyền thông PLC S7- 1200.
Chú thích:
1: Các LED trạng thái dành cho module truyền thông.
2: Bộ phận kết nối truyền thông.
2.3 .

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN- KHÍ NÉN

2.3.1. Những đặc điểm cơ bản
Hệ thống khí nén gồm nhiều thiết bị nhưng quan trọng nhất là máy nén
khí và bình tích áp, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lắp ráp, chế biến đặc
biệt ở những lĩnh vực cần đảm bảo vệ sinh, chống cháy nổ hoặc ở môi trường độc
hại. Ví dụ như lĩnh vực lắp ráp điện tử, chế biến thực phẩm, các khâu phân loại, đóng
gói sản phẩm thuộc dây chuyền sản xuất tự động, trong công nghiệp gia công cơ khí,
trong công nghiệp khai khoáng, ...
Các dạng truyền động sử dụng khí nén:
- Truyền động thẳng là ưu thế của hệ thống khí nén do kết cấu đơn giản và linh
hoạt của cơ cấu chấp hành, chúng được sử dụng nhiều trong các thiết bị gá kẹp các
chi tiết khi gia công các thiết bị đột dập, phân loại và đóng gói sản phẩm.
- Truyền động quay: trong nhiều trường hợp khi yêu cầu tốc độ truyền động rất
cao, công suất không lớn sẽ gọn nhẹ và tiện lợi hơn nhiều so với các dạng truyền
động sử dụng các năng lượng khác. Ở những hệ truyền động quay công suất lớn, chi

phí cho hệ thống sẽ rất cao so với truyền động điện.
Ưu nhược điểm của hệ thống khí nén:

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
13


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Ưu điểm:
- Do không khí có khả năng chịu nén nên có thể nén và trích chứa trong bình
chứa với áp suất cao thuận lợi, như là một kho chứa năng lượng. Trong vận hành,
người ta thường xây dựng trạm khí nén dùng chung cho nhiều mục đích khác nhau
như công việc làm sạch, truyền động trong các máy móc.
- Có khả năng truyền tải đi xa bằng hệ thống đường ống với tổn thất nhỏ.
- Khí nén sau khi sinh công cơ học có thể thải ra ngoài mà không gây tổn hại
cho môi trường.
- Tốc độ truyền động cao, linh hoạt.
- Dễ điều khiển với độ tin cậy và chính xác.
- Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất hiệu quả.
Nhược điểm:
- Công suất chuyển động không lớn.
- Do khả năng đàn hồi của khí nén khá lớn nên khi tải trọng thay đổi thì vận tốc
truyền động có xu hướng thay đổi. Vì vậy khả năng duy trì chuyển động thẳng đều
hoặc quay đều thường là khó thực hiện.
- Dòng khí nén được giải phóng ra môi trường có thể gây tiếng ồn. [2]
2.3.2. Cấu trúc của hệ thống khí nén
Hệ thống khí nén thường bao gồm các khối thiết bị:
- Trạm nguồn: Máy nén khí, bình tích áp, các thiết bị an toàn, các thiết bị xử lý
khí nén (lọc bụi, lọc hơi nước, sấy khô).
- Khối điều khiển: các phần tử xử lý tín hiệu điều khiển và các phần tử điều

khiển đảo chiều cơ cấu chấp hành.
- Khối các thiết bị chấp hành: Xi lanh, động cơ khí nén, giác hút.
Dựa vào năng lượng của tín hiệu điều khiển, người ta chia ra hai dạng hệ thống
khí nén:

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH
14