Đồ án: Giám sát và điều khiển hệ thống dây chuyền tự động sản xuất xi măng

1

A. PHẦN MỞ ĐẦU
1.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Sự bùng nổ và phát triển không ngừng của khoa học và kỹ thuật trong

lĩnh vực điều khiển tự động trong những thập kỷ gần đây đã góp phần không
nhỏ vào việc làm thay đổi cục diện nền kinh tế cũng như quốc phòng của các
quốc gia trên thế giới. Với sự ra đời hệ thống tự động hóa đã làm thay đổi sâu
sắc toàn bộ hoạt động sản xuất của con người, trong đó có sự ra đời của PLC
S7-200.
Để thực hiện công việc một cách khoa học nhằm đạt được số lượng sản
phẩm lớn, nhanh mà lại tiện lợi về kinh tế, các công ty, xí nghiệp sản xuất
thường sử dụng PLC để điều khiển dây chuyền tự động. Dây chuyền sản xuất
tự động dùng PLC không những giảm sức lao động của công nhân mà còn giúp
sản xuất đạt hiệu quả cao, đáp ứng kịp thời cho đời sống xã hội. PLC với kích
thước nhỏ gọn, độ chính xác cao, tác động nhanh, dễ dàng thay đổi thuật toán
và đặc biệt là có thể trao đổi thông tin với máy tính đã góp phần không nhỏ
trong các hệ thống tự động của các nhà máy lớn.
Là sinh viên nghành Kỹ thuật, việc nghiên cứu về hệ thống tự động hóa
dùng PLC giúp tôi tiếp cận học hỏi và nắm bắt những công nghệ tiên tiến, có
thể nâng cao hiểu biết hơn trong lĩnh vực cơ khí, tự động hóa cũng như nâng
cao kiến thức về điện tử cũng như kiến thức chuyên môn, phục vụ cho quá
trình giảng dạy ở các trường THPT sau này.
Đó là lý do tôi chọn đề tài “Giám sát và điều khiển hệ thống dây chuyền
tự động sản xuất xi măng”.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Điệp

Khóa luận tốt nghiệp

2

2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Tìm hiểu về hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển dùng
WinCC và thiết lập hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất xi măng sử dụng
PLC S7-200.
3. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
- Tìm hiểu về hệ thống điều khiển tự động.
- Tìm hiểu về hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển.
- Tìm hiểu về bộ điều khiển lập trình PLC S7-200 và ngôn ngữ lập trình cho PLC.
- Tìm hiểu về hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển dùng WinCC.
- Lập trình hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất xi măng sử dụng PLC S7-200.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp tôi đã sử dụng các phương pháp sau:
- Phương pháp lý thuyết: Tìm hiểu qua sách, internet…
- Phương pháp thực nghiệm: Tìm hiểu dây chuyền sản xuất xi măng thực tế,
lập trình PLC S7-200 để điều khiển dây chuyền sản xuất xi măng, sử dụng
phần mềm WinCC để giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống.
5. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Do thời gian nghiên cứu và kiến thức còn hạn chế nên đề tài chỉ dừng ở mức
nghiên cứu lập trình PLC S7-200, phần mềm giám sát WinCC 6.0 và lập trình hệ
thống dây chuyền sản xuất xi măng đơn giản.
6. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
PLC S7-200 đã được sử dụng nhiều trong các nhà máy xí nghiệp, với độ
bền và tính ổn định cao. Hiện nay, rất nhiều trường Đại học đã đưa PLC vào
giảng dạy ở các bậc học nhưng đối với sinh viên trường Sư phạm Huế nói
chung và sinh viên nghành SPKT nói riêng thì đây là đề tài hoàn toàn mới.

Việc nghiên cứu về PLC giúp đặt nền móng cho việc nghiên cứu những vấn
đề khác rộng hơn trong tương lai.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Điệp


Khóa luận tốt nghiệp

3

Do thời gian và kiến thức có hạn nên tôi chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu,
lập trình và giám sát hệ thống trên máy tính.
7. ĐỊA ĐIỂM LÀM KHÓA LUẬN
- Tại trường ĐHSP Huế
8. THỜI GIAN LÀM KHÓA LUẬN

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Điệp


4

B. PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN
1.1. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1.1.1. Định nghĩa hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển thường được hiểu là một tập hợp sắp xếp trật tự các
phần tử vật lý theo một thể, để nó có thể điều chỉnh, định hướng và thực thi
tác vụ cho riêng bản thân nó hoặc cho các hệ thống khác.
1.1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển

Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển gồm:
-

Mục tiêu điều khiển (input).

-

Các phần tử của hệ thống bao gồm bộ điều khiển và đối tượng điều khiển.

-

Kết quả hay đối tượng ra (output).

Hình 1.1: Thành phần hệ thống điều khiển
Ở đây, điều khiển gọi là tín hiệu vào, hay còn gọi là tín hiệu kích thích và
kết quả nhận được từ hệ thống là tín hiệu ra hay các biến điều khiển.
Tín hiệu vào là các tác nhân (hay kích thích) từ nguồn năng lượng bên
ngoài đến hệ thống điều khiển để tạo ra các đáp ứng mong muốn. Tín hiệu ra

Chương 1: Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển


Khóa luận tốt nghiệp

5

là các đáp ứng thực sự từ hệ thống điều khiển, có thể giống hay không giống
đáp ứng được xác định bởi tín hiệu vào.
1.2. ĐỊNH NGHĨA SCADA
SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition là một hệ thống

điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ
trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều
khiển tự động thông thường. Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ
SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện
người – máy (HMI – Human Machine Interface).
Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọng
không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần
giao diện người – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp
điều khiển cục bộ. Vì lý do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên các màn hình vận
hành (OP – Operator Panel), màn hình (TP – Touch Panel), Multi Panel …
chuyên dụng được sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng hơn.
1.3. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG SCADA
Các hệ thống SCADA được phân làm bốn nhóm chính với các chức năng:
-

SCADA độc lập.

-

SCADA nối mạng.

-

SCADA không có khả năng đồ hoạ.

-

SCADA có khả năng xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực.

Bốn nhóm chính của hệ thống SCADA:

Hệ thống SCADA mờ (Blind): Nó không có bộ phận giám sát nên khá
đơn giản dung để thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị. Do vậy hệ thống này
khá rẻ.

Chương 1: Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển


Khóa luận tốt nghiệp

6

Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực: Đây là hệ thống
SCADA có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu. Nhờ tập tin cấu hình của
máy khai báo trước mà hệ thống có khả năng mô phỏng tiến trình hoạt động
của hệ thống sản xuất. Tập tin cấu hình ghi lại trạng thái hoạt động của hệ
thống. Khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể báo cho người vận hành để xử lý
kịp thời. Cũng có thể hệ sẽ phát ra tín hiệu điều khiển dừng hoạt động của tất
cả máy móc.
Hệ thống SCADA độc lập: Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ
liệu với một bộ vi xử lý. Hệ này chỉ có thể điều khiển được một hoặc hai máy
móc. Vì vậy hệ này chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết.
Hệ thống SCADA mạng: Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ
liệu với nhiều bộ vi xử lý. Các máy tính giám sát được nối mạng với nhau. Hệ
này có khả năng điều khiển được nhiều nhóm máy móc tạo nên dây chuyền
sản xuất. Qua mạng truyền thông, hệ thống được kết nối với phòng quản lý,
phòng điều khiển, có thể nhận quyết định điều khiển trực tiếp từ phòng quản
lý hoặc từ phòng thiết kế. Từ phòng điều khiển có thể điều khiển hoạt động
của các thiết bị ở xa.
1.4. NHỮNG CHUẨN ĐÁNH GIÁ MỘT HỆ SCADA
Để đánh giá một hệ thống điều khiển và giám sát SCADA ta cần phải

phân tích các đặc điểm của hệ thống theo một số các tiêu chuẩn sau: khả năng
hỗ trợ của công cụ phần mềm đối với việc thực hiện xây dựng các màn hình
giao diện.
Số lượng và chất lượng của các thành phần đồ hoạ có sẵn, khả năng truy
cập và cách kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trực tiếp từ các cơ cấu
chấp hành, sensor, module vào/ra qua PLC hay các hệ thống bus trường).
Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình, khả năng
hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện và

Chương 1: Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển


Khóa luận tốt nghiệp

7

sự cố (Event and Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and History) và lập báo
cáo (Reporting).
Tính năng thời gian thực và hiệu suất trao đổi thông tin, đối với nền
Windows: hỗ trợ sử dụng mô hình phần mềm ActiveX-Control và OPC, giá
thành tổng thể của hệ thống.
1.5. CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ SCADA
Cấu trúc chung của hệ SCADA được minh hoạ trong hình vẽ sau:
HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN

NI

NI
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

NI

I/O

NI

Nối trực tiếp

Nối qua mạng

NI
NI (Network Interface):
giao diện mạng.
I/O (Input/Output): vào/ra.

NI
I/O

NI
CẢM BIẾN VÀ CHẤP HÀNH

QUÁ TRÌNH KỸ THUẬT

Chương 1: Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển


Khóa luận tốt nghiệp

8

Hình 1.1. Cấu trúc chung của hệ SCADA.
Trong hệ thống điều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp hành
đóng vai trò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật. Còn
hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trò là giao diện giữa người và máy. Các
thiết bị và các bộ phận của hệ thống được ghép nối với nhau theo kiểu điểmđiểm (Point to Point) hoặc qua mạng truyền thông. Tín hiệu thu được từ cảm
biến có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hoặc tương tự. Khi xử lý trong máy
tính, chúng phải được chuyển đổi cho phù hợp với các chuẩn giao diện vào/ra
của máy tính.
Các thành phần chính của hệ thống SCADA bao gồm:
Giao diện quá trình: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển
đổi và các cơ cấu chấp hành.
Thiết bị điều khiển tự động: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng (PID),
các bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller), các thiết
bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy tính PC với
các phần mềm điều khiển tương ứng.
Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện ngườimáy HMI, các trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp.
Hệ thống truyền thông: ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành,
bus trường, bus hệ thống.
Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn.
1.6. MÔ HÌNH PHÂN CẤP CHỨC NĂNG
1.6.1. Mô hình phân cấp
Toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát được phân chia thành các cấp chức
năng như hình vẽ minh hoạ dưới đây:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển


Khúa lun tt nghip

9

QUN
Lí
Quản lý
công ty

PC

IU
HNH
Điều hành
sản xuất
SN XUT

IU
KHIN
Điều
khiển
giám sát

GIM ST

IU KHIN

Điều khiển

CHP
HNH
Chấp
hành

Qúa
kỹ thuật
Hỡnh 1.2. Mụ hỡnh phõn
cptrình
chc nng
ca h thng giỏm sỏt v iu
Hình 2.3: Mô hình phân
khin cấp chức năng của hệ thống
điều khiển và giám sát

sp xp, phõn loi cỏc chc nng t ng hoỏ ca mt h thng iu
khin v giỏm sỏt ngi ta thng s dng mụ hỡnh nh trờn. Vi loi mụ
hỡnh ny cỏc chc nng c phõn thnh nhiu cp khỏc nhau, t di lờn
trờn. Cng nhng cp di thỡ cỏc chc nng cng mang tớnh cht c bn
hn, ũi hi yờu cu cao hn v nhanh nhy, thi gian phn ng. Mt chc
nng cp trờn c thc hin da trờn cỏc chc nng cp di nhng
ngc li lng thụng tin cn trao i v x lý li ln hn nhiu.

Chng 1: Tng quan v h thng giỏm sỏt v iu khin


Khóa luận tốt nghiệp

10

Việc phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa
chọn thiết bị. Tuỳ thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể
mà ta có mô hình phân cấp chức năng.
Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường,
dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Thực tế, đa số các

thiết bị cảm biến hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực
hiện đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông
minh (có bộ vi xử lý riêng) cũng có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông
tin trước khi đưa lên cấp trên điều khiển.
Cấp điều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ
các bộ cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và
truyền đạt lại kết quả xuống các bộ chấp hành. Máy tính đảm nhận việc theo
dõi các công cụ đo lường, tự thực hiện các thao tác như ấn nút mở/đóng van,
điều chỉnh cần gạt, núm xoay,… Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý
thông tin. Cấp điều khiển và cấp chấp hành hay được gọi chung là cấp trường
(Field level) chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt
trực tiếp tại hiện trường gần kề với hệ thống kỹ thuật.
Cấp điều khiển giám sát: có chức năng giám sát và vận hành một quá trình
kỹ thuật, có nhiệm vụ hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác
theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường. Ngoài ra
trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp
như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức. Việc
thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển và giám sát thường không đòi hỏi
phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài máy tính thông thường.
Thông thường người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ
thống điều khiển và giám sát. Tuy nhiên biểu thị hai cấp trên cùng (Quản lý
công ty và Điều hành sản xuất) sẽ giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng cho
cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp. Gần đây,
Chương 1: Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển


Khóa luận tốt nghiệp

11

do nhu cầu tự động hoá tổng thể kể cả ở các cấp điều hành sản xuất và quản lý
công ty, việc tích hợp hệ thống và loại bỏ các cấp trung gian không cần thiết
trong mô hình chức năng trở nên cần thiết. Cũng vì thế, ranh giới giữa cấp
điều hành sản xuất nhiều khi không rõ ràng, hình thành xu hướng hội nhập hai
cấp này thành một cấp duy nhất gọi chung là cấp điều hành.
1.6.2. Chức năng nhiệm vụ của từng cấp
Một hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức phân nhiệm
thành nhiều cấp quản lý. Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều
khiển riêng lên những đối tượng trong hệ thống. Các đối tượng máy móc
thường lắp đặt trong địa phương của cấp quản lý phân xưởng xí nghiệp cấp
dưới đồng thời cũng có một đặc điểm nữa là một đối tượng tuy thuộc giám
sát-điều khiển của cấp trên về mặt sản xuất nhưng cũng thuộc sự giám sátđiều khiển vật lý cụ thể về mặt vận hành chuẩn đoán và bảo dưỡng của các
cấp khác thấp hơn. Những điều này là cơ sở chỉ đạo cho việc tổ chức các cấp
SCADA quản lý hệ thống sản xuất ngày nay. Những nguyên tắc chính sau:
Thông thường về tổ chức kết cấu của mỗi cấp quản lý được trợ giúp tự
động hoá bằng một hệ SCADA của cấp ấy. Cấp SCADA phân xưởng ở cấp dưới
thấp sẽ thực hiện việc thu thập số liệu trên máy móc phân xưởng có sự phân loại
rõ máy móc thiết bị nào được quản lý về sản xuất bởi cấp SCADA nào. Các số
liệu phân loại này sẽ được các SCADA truyền tin báo cáo từ cấp dưới lên cấp
trên theo nhịp gọi của các SCADA cấp cao hơn một cấp cho đến cấp cần thu thập
dữ liệu, hiển thị, in ấn, sử dụng cho điều khiển sản xuất ở các cấp.
Mỗi cấp sẽ thực hiện bài toán phân tích, tính toán được giao và tính đưa
ra các lệnh thao tác thay đổi tăng hay giảm chỉ tiêu đóng cắt các đối tượng của
mình, qua hệ truyền tin gửi lệnh đó đến cấp SCADA có liên quan để thực
hiện. Để giải quyết những bài toán điều khiển phân tích riêng này của mình thì
SCADA mỗi cấp thường được trang bị thêm những phần cứng máy tính, phần
mềm phân tích chuyên dụng. Những thiết bị này lấy số liệu hiện hành từ
Chương 1: Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển

Khóa luận tốt nghiệp

12

SCADA cung cấp để giải bài toán đó và xuất ra kết quả cho người vận hành
và cho hệ SCADA.
Chức năng của mỗi cấp SCADA cung cấp những dịch vụ sau:
Thứ nhất là thu thập từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản
xuất và tổ chức việc lưu giữ trong nhiều loại cơ sở dữ liệu (số liệu lịch sử về
sản xuất, sự kiện thao tác, báo động …).
Thứ hai là dùng các dữ liệu trên để cung cấp các dịch vụ về điều khiển,
giám sát hệ sản xuất.
Thứ ba là hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình sản xuất (trang màn
hình, trang đồ thị, trang sự kiện, trang báo động, trang báo cáo sản xuất…).
Thứ tư là điều khiển từ xa quá trình sản xuất (đóng cắt các máy móc thiết
bị, tăng giảm nấc phân áp …).
Thứ năm là thực hiện các dịch vụ về truyền số liệu trong hệ và ra ngoài
(đọc viết số liệu PLC/RTU (Remote Teminal Unit), gửi trả lời các bản tin yêu
cầu của cấp trên về số liệu, về thao tác hệ).
Nhìn chung SCADA là một hệ kết hợp phần cứng và phần mềm để tự
động hoá việc quản lý giám sát điều khiển cho một đối tượng sản xuất công
nghiệp. Tuỳ theo yêu cầu cụ thể cụ thể của bài toán tự động hoá ta có thể xây
dựng hệ SCADA thực hiện một số những nhiệm vụ tự động hoá như: thu thập
giám sát từ xa về đối tượng, điều khiển đóng cắt từ xa lên đối tượng, điều
chỉnh tự động từ xa với các đối tượng và các cấp quản lý.
Các chức năng đó mỗi thứ đều có những yêu cầu đặc biệt đối với các bộ
phận phần cứng, phần mềm, phần chuyên trách của SCADA. Cụ thể là phần
đo, giám sát từ xa cần bảo đảm thu thập dữ liệu hiển thị in ấn đủ những số liệu
cần cho quản lý kỹ thuật. Phần điều khiển thao tác xa phải đảm bảo được việc
kiểm tra đóng cắt an toàn, đúng đắn. Phần truyền tin xa phải quy định rõ các

Chương 1: Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển


Khóa luận tốt nghiệp

13

nhiệm vụ truyền số liệu hiện trường, đặc biệt là thủ tục truyền với các SCADA
cấp trên.
Ngày nay, hầu hết các hệ SCADA còn có khả năng liên kết với các hệ
thống thương mại có cấp độ cao hơn, cho phép đọc viết theo cơ sở dữ liệu
chuẩn như Oracle, Access, Microsoft SQL.

Chương 1: Tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển


14

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ PLC S7-200
Bộ điều khiển lập trình PLC được sáng tạo ra nhờ ý tưởng ban đầu của
nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor của Mỹ vào năm 1968. Ở Việt Nam bộ
điều khiển PLC xuất hiện đầu tiên vào khoảng năm 1990 trong một số nhà
máy sản xuất xi măng. Ở chương này tôi sẽ giới thiệu khái quát PLC S7-200
về nguồn nuôi, cấu trúc, ngôn ngữ lập trình cũng như các chế độ làm việc.
2.1 MỞ ĐẦU
2.1.1. Giới thiệu về PLC
Ở hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất trong công nghiệp trước
đây, các hệ thống điều khiển số thường được cấu tạo trên cơ sở các rơle và các

mạch điện tử logic kết nối với nhau theo nguyên lý làm việc của hệ thống.
Đối với các hệ thống làm việc đơn giản và có tính độc lập thì việc sử
dụng các phần tử logic có sẵn liên kết cứng với nhau rất có ưu điểm về giá
thành. Tuy nhiên trong các hệ thống điều khiển phức tạp, nhiều chức năng thì
việc cấu trúc theo kiểu liên kết cứng có nhiều nhược điểm như:
- Hệ thống cồng kềnh, đấu nối phức tạp dẫn tới độ tin cậy kém.
- Trường hợp cần thay đổi chức năng của hệ thống hoặc sửa chữa các hư
hỏng sẽ rất khó khăn và mất nhiều thời gian nếu hệ thống là phức tạp, số
lượng rơle là lớn.
Sự phát triển của máy tính điện tử, sự phát triển của tin học cùng với sự
phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động, dựa trên cơ sở tin học gắn liền với
hàng loạt những phát minh liên tiếp như mạch tích hợp điện tử - IC - năm
1959, bộ vi xử lý - năm 1974... những phát minh đó đã đóng góp một vai trò
quan trọng và quyết định trong việc phát triển mạnh mẽ kỹ thuật máy tính và
các ứng dụng của nó trong khoa học kỹ thuật như PLC, CNC...
Thiết bị điều khiển khả trình PLC ra đời cho phép khắc phục được rất
nhiều nhược điểm của các hệ điều khiển liên kết cứng trước đây và việc sử
dụng PLC đã trở nên rất phổ biến trong công nghiệp tự động hóa.
PLC (Programmable Logic Controler) là thiết bị điều khiển lập trình
được (hay còn gọi là khả trình), cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán
điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình, PLC thực chất là một máy tính,

Chương 2: Tổng quan về PLC S7-200


Khóa luận tốt nghiệp

15

nhưng điểm khác ở đây là nó được thiết kế chuyên cho lĩnh vực điều khiển và

làm việc được trong điều kiện phức tạp với sự thay đổi của nh iệt độ, độ ẩm,
hay nói một cách khác nó là một máy tính chuyên dụng.
Đặc điểm của PLC:
- Được thiết kế bền để chịu được rung động, nhiệt độ, độ ẩm và tiếng ồn.
- Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào/ra.
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.
- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản và sữa chữa.
- Dung lượng bộ nhớ lớn có thể chứa được những chương trình phức tạp.
- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.
- Giao tiếp với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các
model mở rộng.
- Giá cả có thể cạnh tranh được.
PLC SIEMENS thế hệ S7-200 là loại PLC nhỏ (Micro PLC) có thể điều
khiển hàng loạt các ứng dụng khác nhau trong tự động hóa (Hình 1.1). Với
cấu trúc nhỏ gọn, có khả năng mở rộng, giá rẽ và một tập lệnh mạnh, PLC S7200 là một lời giải hoàn hảo cho các bài toán tự động loại nhỏ. Thêm vào đó
là sự phong phú về chủng loại, kích cỡ cũng như các thông số về điện (điện áp
AC, DC, dòng…) càng cho phép người sử dụng cơ động hơn trong giải quyết
các vấn đề tự động của mình.
- Nguồn nuôi: điện áp một chiều 24V, điện áp xoay chiều 220V, 110V.
- Đầu vào 24VDC: sink & source.
- Đầu ra 24VDC hoặc Rơle.
- Các bộ xử lý trung tâm (CPU) khác nhau: 210, 212, 215, 216, 221, 222, 224.

Hình 2.1. PLC S7-200 [2].
2.1.2. So sánh các CPU thông dụng nhất
Bảng 2.1. So sánh các thông số CPU

Chương 2: Tổng quan về PLC S7-200

Khóa luận tốt nghiệp

16

Đặc trưng kỹ thuật

CPU 215

CPU 216

CPU 222

CPU 224

Bộ nhớ chương trình

8 kB

8 kB

4 kB

8kB

Bộ nhớ dữ liệu

5 kB

5 kB

2 kB

5kB

Backup số liệu

190 giờ

190 giờ

50 giờ

190 giờ

0.8 ms

0.8 ms

0.37 ms

0.37ms

Xử lý số thực

có

có

có

có

Điều khiển PIC

có

có

có

có

Số bộ định thời

256

128

256

256

Số bộ đếm

256

128

256

256

1x2kHz,

1x2kHz,

2x20kHz

2x7kHz

4x30kHz

6x30kHz

Thời gian thực hiên 1024
lệnh nhị phân

Bộ đếm tốc độ cao
Số ngắt thời gian

2 (5-255ms) 2 (5-255ms) 2 (1-255ms)

2 (1255ms)

Số ngắt phần cứng

4

4

4

4

Số đầu vào/ra có sẵn

14/10

14/10

8/4

14/10

Số module cực đại

0

0

2

7

Số đầu vào/ra cực đại

62/58

62/58

24/22

62/58

12/10

12/10

12/10

12/10

Đầu ra xung

2x4kHz

2x4kHz

2x20kHz

2x20kHz

Cổng truyền thông

2xRS485

1xRS485

1xRS485

1xRS485

Chiết áp tương tự

2

2

1

2

Thời gian thực hiện

có

có

Tùy chọn

có

Kích thước (mm)

218x80x62

197x80x62

90x80x62

120x80x62

Trọng lượng (kg)

0.58

0.49

0.27/0.39

0.36/0.41

Số đầu vào/ra tương tự
cực đại

2.1.3. Cấu trúc phần cứng PLC S7-200

Chương 2: Tổng quan về PLC S7-200


Khóa luận tốt nghiệp

17

Hình 2.2. Cáp truyền thông
S7-200 CPU là có thể hoạt động độc lập bao gồm bộ xử lý trung tâm, bộ
nguồn nuôi và một số đầu vào ra dùng để thực thi chương trình và lưu trữ giữ
liệu trong toàn bộ quá trình điều khiển.
Các đầu vào đọc tín hiệu từ các hiết bị cảm biến, các đầu ra điều khiển các
thiết bị chấp hành. Cổng truyền thông cho phép kết nối PLC với các thiết bị lập

trình hoặc thiết bị khác. Các đèn hiệu trên CPU thông báo trạng thái của CPU.

Hình 2.3. S7-200 CPU
2.2. CẤU TẠO CHUNG CỦA PLC
Kết cấu của PLC thường có 2 kiểu cơ bản là: kiểu modul hóa và kiểu hộp đơn.
Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó
phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như
chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế
không bị cứng hóa về cấu hình, chúng được chia nhỏ thành các modul (hình
2.4), tối thiểu phải có modul CPU, các modul còn lại là các modul nhận
truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển, các modul có chức năng chuyên
dụng như modul mờ, modul PID... chúng được gọi là các modul mở rộng, việc
sử dụng các modul nào là tùy thuộc vào công việc cụ thể.

Chương 2: Tổng quan về PLC S7-200


Khóa luận tốt nghiệp

18

Hình 2.4. Cấu trúc PLC kiểu modul
Kiểu hộp đơn thường dùng cho các PLC cỡ nhỏ và được cung cấp dưới
dạng nguyên chiếc hoàn chỉnh gồm bộ nguồn ( hình 2.5), bộ xử lý, bộ nhớ và các
giao diện vào/ra onboard được tích hợp trong một modul, kiểu hộp đơn vẫn có
khả năng ghép nối được với các modul ngoài để mở rộng khả năng của PLC.

Hình 2.5.Cấu trúc PLC kiểu hộp đơn
2.3. ĐÁNH GIÁ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA PLC
2.3.1. Ưu điểm

Hiện nay với sự phát triển của công nghệ điện tử đã cho phép chế tạo các hệ
xử lý tiên tiến, dựa trên cơ sở của bộ vi xử lý, các bộ điều khiển logic lập trình đã
cho phép khắc phục được rất nhiều nhược điểm của các hệ điều khiển liên kết
cứng trước đây. Có thể liệt ra một số ưu điểm chính của việc sử dụng PLC gồm:
- Giảm bớt được việc nối dây khi kiến tạo hệ thống, giá trị logic của nhiệm
vụ điều khiển được thực hiện trong chương trình thay cho việc đấu nối dây.
- Tính mềm dẻo cao, trong hệ thống dùng PLC các phần tử điều khiển đã

Chương 2: Tổng quan về PLC S7-200


Khóa luận tốt nghiệp

19

được mô tả sẵn, mối liên kết giữa các phần tử được mô tả bằng chương trình,
do vậy khi cần sự thay đổi trong cấu trúc điều khiển thì chỉ cần thay đổi
chương trình trong hệ thống.
- Không gian lắp đặt nhỏ hơn, PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với hệ
điều khiển rơle tương đương.
- Dải chức năng rộng.
- Tốc độ làm việc cao.
- Công suất tiêu thụ giảm.
- Lắp đặt đơn giản.
- Hệ thống được mở rộng theo khối.
- Về giá trị kinh tế: khi xét về giá trị kinh tế của PLC ta phải đề cập đến
số lượng đầu ra và đầu vào, số lượng đầu vào/ra mà quá ít thì hệ rơle tỏ ra
kinh tế hơn, những khi số lượng đầu vào/ra tăng lên thì hệ PLC sẽ kinh tế hơn
hệ rơle.
2.3.2 Nhược điểm

Việc sử dụng và chọn lựa PLC phải phù hợp với từng bài toán, nếu
không sẽ dẫn đến việc gây lãng phí khi đầu tư không cần thiết.
2.4. CÁCH SỬ DỤNG PLC S7-200
2.4.1. Lắp đặt PLC trong hệ thống

Hình 2.6. Cáp kết nối CPU
2.4.2. PLC sử dụng nguồn xoay chiều

Chương 2: Tổng quan về PLC S7-200


Khóa luận tốt nghiệp

20

Hình 2.7. PLC sử dụng nguồn xoay chiều
[a] Công tắc nguồn cho CPU, toàn bộ mạch vào và ra của PLC.
[b] Thiết bị chống quá dòng cho CPU, các mạch vào và ra. Có thể sử dụng
cầu chì riêng cho từng phần (CPU, mạch vào, mạch ra), để bảo vệ tốt hơn.
[c] Bảo vệ quá dòng cho mạch vào không cần thiết nếu các đầu vào sử
dụng nguồn 24VDC do PLC cung cấp. Nguồn này (gọi là nguồn cảm biến), đã
được thiết kế chống ngắn mạch.
[d] Nối đầu đất mát của PLC vào điểm nối đầu đất gần nhất để chống
nhiểu. Tất cả các đầu đấu mát trong một hệ thống nên được đấu nối vào cùng
một điểm. Tốt nhất nên sử dụng dây 14AWG hay dây 1.5mm.
[e] Nguồn 24VDC do PLC cung cấp (nguồn cảm biến), có thể sử dụng
cho các mạch đầu vào.
[f] Nguồn 24VDC do PLC cung cấp (nguồn cảm biến), có thể được sử
dụng cho các mạch đầu vào mở rộng.
[g] Nguồn 24VDC do PLC cung cấp (nguồn cảm biến), có thể được sử dụng

nuôi các module mở rộng (Nguồn cảm biến này được thiết kế chống ngắn mạch).
[h] Đầu M nối đất của nguồn cảm biến 24VDC dùng để chống nhiễu.
2.4.3. PLC sử dụng nguồn một chiều

Chương 2: Tổng quan về PLC S7-200


Khóa luận tốt nghiệp

21

Hình 2.8. PLC sử dụng nguồn một chiều
[a] Công tắc nguồn cho CPU, toàn bộ mạch vào và ra của PLC.
[b] Thiết bị bảo vệ quá dòng cho CPU.
[c] Thiết bị bảo vệ quá dòng cho mạch vào.
[d] Thiết bị bảo vệ quá dòng cho mạch ra.
[e] Cần đảm bảo nguồn một chiều có đủ độ “cứng” cần thiết nhất là trong
trường hợp tải thay đổi (đóng ngắt đầu ra). Nếu cần phải đấu thêm tụ điện ngoài.
[f] Trong đa số các trường hợp, nối đất đầu âm của tất cả các nguồn
24VDC là một trong những cách chống nhiễu tốt nhất.
[g] Điện trở cho phép dòng điện rò chạy qua để chống hiện tượng tích
điện tĩnh. Tụ điện chống các nhiễu hải bậc cao.
[h] Nối đầu đất mát của PLC vào điểm nối đất gần nhất để chống nhiễu,
Tất cả các đầu đấu mát trong một hệ thống nên được đấu vào cùng một điểm.
Tốt nhất nên sử dụng dây 14 A WG hay dây 1.5mm.
Chỉ sử dụng nguồn cung cấp 24VDC có cách điện tốt với lưới điện xoay
chiều cũng như các nguồn điện khác.

Chương 2: Tổng quan về PLC S7-200

Khóa luận tốt nghiệp

22

2.4.4 Một số cách đấu nhằm bảo vệ tốt cho đầu ra của PLC
Bảo vệ có đầu ra 24V một chiều (Transistors):

Hình 2.9. Bảo vệ đầu ra

Hình 2.10. Bảo vệ đầu ra
Bảo vệ rơle đóng ngắt dòng điện một chiều:

Hình 2.11. Bảo vệ rơ le đóng ngắt dòng điện một chiều
Bảo vệ rơ le đóng ngắt dòng điện một chiều:

Hình 2.12. Bảo vệ rơ le đóng ngắt dòng điện một chiều
2.5. CƠ BẢN TRONG LẬP TRÌNH PLC S7-200
2.5.1. Tổng quát

Chương 2: Tổng quan về PLC S7-200


Khóa luận tốt nghiệp

23

Khi tiến hành thiết kế một hệ thống sử dụng PLC S7-200, người thiết kế
nhất thiết phải làm quen với những đặc trưng cơ bản nhất của CPU sắp dùng.
Thứ hai là phải tuân thủ các nguyên tắc của đơn vị vận hành cũng như các điều

kiện thực tế. Sau đây là một số khuyến cáo cho người thiết kế với S7-200.
- Phân chia hệ thống thành những thành phần nhỏ nhất có mức độ độc
lập nhất định. Tiến hành thiết kế từng phần nhỏ một.
- Xác định số đầu vào ra đối với mỗi thành phần độc lập, cách thức hoạt động,
trạng thái đầu ra, mô tả vận hành và cách giao tiếp với các thành phần khác.
- Thiết kế bộ phận an toàn (bộ phận điện cơ hoạt động độc lập với PLC):
Thống kê những bộ phận chấp hành có thể gây mất an toàn trong các trường
hợp, các trường hợp mất điện rồi có điện lại, CPU bị treo hay bị lỗi.
- Thiết kế giao diện vận hành: vị trí, cách lắp đặt các nút bấm, đèn
hiệu… bố trí hợp lý trên hệ thống và kế nối hợp lý với PLC.
- Hoàn thành bản vẽ thiết kế: phân bố cơ học của các chi tiết, sơ đồ đấu nối điện.
- Đặt tên cho các đầu vào ra cũng như các địa chỉ trung gian và tạo thành bảng.
Mô hình phương thức hoạt động của một chương trình trên PLC khá đơn
giản: CPU đọc trạng thái các đầu vào, chương trình xử lý, cập nhật trạng thái
các đầu vào và thuật toán logic định sẵn, CPU xuất dữ liệu theo chương trình
đã lập sẵn.
Ví dụ:

Chương 2: Tổng quan về PLC S7-200


Khóa luận tốt nghiệp

24

Hình 2.13. Nhập chương trình cho CPU
2.5.2. Ngôn ngữ lập trình cho PLC S7-200
PLC có nhiều ngôn ngữ lập trình, ở đây ta nghiên cứu ngôn ngữ Ladder
Logic (LAD).
Đây là ngôn ngữ được sử dụng phổ biến trong lập trình cho PLC, chương

trình này rất giống với sơ đồ điện, nó thường được chia thành nhiều phần nhỏ,
rất dễ hiểu và tương đối độc lập gọi là “rung” hay “network”.
Thành phần cơ bản trong chương trình LAD gồm các tiếp điểm
(contacts) đại diện các đầu vào như nút bấm, tiếp điểm, điều kiện… Các cuộn
dây (coils) đại diện các đầu ra như đèn, van, cuộn hút… và các hộp (box) đặc
trưng cho các phép tính, các bộ định thời, bộ đếm.
Những lý do chính để LAD được sử dụng phổ biến là ngôn ngữ dễ hiểu,
dễ sử dụng và tập lệnh dễ dàng chuyển sang dạng STL.

Chương 2: Tổng quan về PLC S7-200


Khóa luận tốt nghiệp

25

Hình 2.14. Ngôn ngữ lập trình LAD
2.6. CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH
Ví dụ:

Hình 2.15. Cấu trúc chương trình PLC
Cấu trúc một chương trình trong PLC khá đơn giản, chương trình được
tạo thành bởi 3 thành phần cơ bản: một chương trình chính (main program),
một hay nhiều chương trình con (subroutines) và các chương trình xử lý ngắt
(interrupt routines) có thể có hoặc không.
- Chương trình chính bao gồm các lệnh điều khiển ứng dụng và chúng
được thực hiện một cách liên tục, cứ mỗi vòng quét một lần.
- Các chương trình con chỉ được thực hiện khi chương trình chính gọi đến.
- Các chương trình con xử lý ngắt được sử dụng khi xảy ra sự kiện gắn
với ngắt tương ứng.

Chương 2: Tổng quan về PLC S7-200