Bài tập lớn môn Hệ thống tự động hóa Nhà máy xi măng

Lời Nói Đầu
Đất nước ta đang trong quá trình Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa mạnh mẽ. Bên
cạnh đó, nhu cầu về sử dụng các trang thiết bị, nguyên vật liệu cho ngành công nghiệp
xây dựng đang ở mức cao. Là một trong những ngành công nghiệp quan trọng của
nước ta, ngành công nghiệp sản xuất xi măng đang được đầu tư phát triển mạnh. Các
nhà máy xi măng được xây dựng khắp nơi, được áp dụng những tiến bộ kỹ thuật mới
nhất. Các nhà máy sản xuất xi măng ngày càng nâng cao sản lượng và chất lượng của
sản phấm, góp phần xây dựng nền kinh tế của nước ta. Trong đó Công ty Cổ phần Vật
liệu Xây dựng Việt Nam (VCM) là doanh nghiệp có trang thiết bị, dây chuyền công
nghệ hiện đại, đội ngũ kỹ sư lành nghề, hàng năm sản xuất hàng ngàn tấn xi măng
phục vụ đất nước và xuất khẩu.
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu môn học “Hệ thống tự động hóa nhà máy
xi măng” tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, em được giao nhiệm vụ tìm hiểu về
Công ty Cổ phần Vật liệu Xây dựng Việt Nam (VCM). Với sự hướng dẫn tận tình của
thầy Nguyễn Mạnh Tiến, em đã học được nhiều kiến thức thực tế và bổ ích. Em xin
được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Mạnh Tiến đã hướng dẫn em trong
suốt thời gian môn học.
Trong bài báo cáo, mặc dù em đã rất cố gắng học hỏi, tìm hiểu để hoàn thành tốt
nhất. Song, bài báo cáo của em không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong
nhận được những góp ý từ thầy, cô giáo.
Em xin chân thành cảm ơn!

1


Mục lục
Lời nói đầu ........................................................................................................................... 1
Mục lục ................................................................................................................................ 2
Chương 1: Mô tả dây chuyển công nghệ sản xuất xi măng của công ty cổ phần vật liệu
xây dựng VCM .................................................................................................................... 3
1.1 Giới thiệu về công ty cổ phần vật liệu xây dựng VCM ............................................. 4

1.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ...................................................................................... 5
1.3 Các bước sản xuất xi măng ........................................................................................ 6
Chương 2: Cấu hình hệ thống điều khiển DCS của dây chuyền sản xuất xi măng .......... 10
2.1 Mô tả cấu hình hệ thống DCS .................................................................................. 10
2.2 Chức năng các khâu trong hệ thống ......................................................................... 11
2.3 Mô tả các BUS và phương thức truyền thông trong hệ thống ................................. 16
Chương 3: Bộ điều khiển (PLC) chính của dây chuyền sản xuất ..................................... 20
3.1 Giới thiệu chung ....................................................................................................... 20
3.2 Đặc tính kỹ thuật phần cứng: CPU, I/O, ghép nối truyền thông .............................. 21
2.3 Phần mềm lập trình STEP 7 ..................................................................................... 25
Kết luận.............................................................................................................................. 27
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 28

2


Danh mục hình ảnh
Hình 1.1: Lịch sử phát triển công ty VCM ..................................................................... 4
Hình 1.2: Nhà máy chính sản xuất xi măng Quảng Bình – VCM .................................. 5
Hình 1.3: Quy trình sản xuất xi măng ............................................................................ 6
Hình 1.4: Quy trình sản xuất xi măng ............................................................................ 8
Hình 2.1: Nhiệm vụ chức năng các cấp trong nhà máy................................................ 10
Hình 2.2: Hệ thống điều khiển DCS nhà máy xi măng VCM ...................................... 11
Hình 2.3: Trạm vận hành .............................................................................................. 12
Hình 2.4: Trạm kỹ thuật ............................................................................................... 12
Hình 2.5: FCS01 ........................................................................................................... 13
Hình 2.6: FCS02 ........................................................................................................... 14
Hình 2.7: FCS03 ........................................................................................................... 15
Hình 2.8: FCS04 ........................................................................................................... 15
Hình 2.9: FCS05 ........................................................................................................... 16

Hình 2.10: Các hình thức truyền thông trong nhà máy ................................................ 17
Hình 2.11: Mạng Ethernet trong nhà máy .................................................................... 17
Hình 2.12: Cấu hình mạng Profibus ............................................................................. 18
Hình 2.13: Các Slave trong mạng Profibus .................................................................. 19
Hình 3.1: PLC S7-400 .................................................................................................. 20
Hình 3.2: CPU 414-5H ................................................................................................. 21
Hình 3.3: Ngôn ngữ LAD ............................................................................................. 22
Hình 3.4: Ngôn ngữ hình khối ...................................................................................... 23
Hình 3.5: Phần cứng PLC ............................................................................................. 23
Hình 3.6: Kết nối MPI .................................................................................................. 25
Hình 3.7: Giao diện Step 7 ........................................................................................... 26
Hình 3.8: Giao diện Simatic S7 -400............................................................................ 26

3


Chương 1:
Dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng của công ty cổ
phần vật liệu xây dựng Việt Nam (VCM)
1.1 Giới thiệu về công ty VCM
Công ty cổ phần vật liệu xây dựng Việt Nam (VCM) có văn phòng chính tại thôn
Xuân Hạ, xã Văn Hóa, huyện Tuyên Hóa, tỉnh Quảng Bình, Việt Nam. Nhà máy được
thành lập vào ngày 02/02/2008 tại Thôn Xuân Hạ, Xã Văn Hóa, Xuân Hạ, bắt nguồn
từ dự án mang tên: Nhà máy Xi măng Quảng Phúc, với tổng vốn đầu tư là 250 triệu
USD.

Hình 1.1: Lịch sử phát triển công ty VCM
Tháng 10/2013, nhà máy Clinker Văn Hóa (tại xã Văn Hóa, huyện Tuyên Hóa,
tỉnh Quảng Bình) đã hoàn thành và chính thức đi vào hoạt động với quy mô công suất
5.000 tấn/ngày.

Trạm nghiền xi măng: Công suất 2.200.000 tấn xi măng PCB40/năm
Tháng 01/2015, Công ty Cổ phần Vật liệu xây dựng Việt Nam đã đầu tư và cho ra
đời thương hiệu STARCEMT. Với 2 sản phẩm chủ lực là STARMAX PCB40 và
STARPRO PCB50.

4


Hình 1.2: Nhà máy chính sản xuất xi măng Quảng Bình – VCM
 Nhà máy chính sản xuất xi măng Quảng Bình:
- Diện tích: 148.2 Ha
- Áp dụng công nghệ hiện đại, máy móc thiết bị của Châu Âu
- Năng lực sản xuất: 1,6 triệu tấn clinker/năm
- Vận hành thương mại từ tháng 10/2013
 Các lĩnh vực kinh doanh của công ty:
- Sản xuất xi măng theo phương pháp khô, hệ thống lò quay, tháp trao đổi nhiệt 5
tầng và 2 nhánh.
- Đầu tư sản xuất xi măng, vôi, thạch cao; Khai thác đá, cát, sạn, đất các loại.
- Sản xuất bê tông đúc sẵn, trộn sẵn và các sản phẩm từ xi măng (Clinker CPC50,
Starmax PCB40, Starpro PCB50).
- Mua bán vật liệu xây dựng, sắt thép, gạch ngói, đá, cát, sạn, đất…
- Xây dựng dân dụng, cảng biển, cảng sông, giao thông đường bộ, thuỷ lợi; Dịch
vụ hỗ trợ vận tải đường thuỷ, bốc xếp hàng hoá, điều hành cảng.
 Cam kết chất lượng:
- Được kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt trong quá trình sản xuất từ khâu nguyên
vật liệu đầu vào cho đến khi giao sản phẩm cho khách hàng và dịch vụ sau bán
hàng.
- Cam kết mạnh mẽ luôn đạt chất lượng vượt hơn Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN
6260:2009 và TCVN 7024:2013 tuân thủ hoàn toàn Tiêu chuẩn cơ sở về Chất
lượng sản phẩm của chúng tôi đã công bố.

1.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng
Sơ đồ tổng quan về dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng của công ty VCM, từ
công đoạn khai thác cho đến công đoạn đóng gói.

5


Hình 1.3: Quy trình sản xuất xi măng
1.3 Các bước sản xuất xi măng
Quy trình sản xuất xi măng theo công nghệ lò quay phương pháp khô. Dây chuyền
sản xuất được chia thành các bước cụ thể như sau:

6


7


Hình 1.4: Quy trình sản xuất xi măng
 Bước 1: Khai thác và đập nguyên liệu
Nguyên liệu sử dụng: Đá vôi Lèn Đứt Chân, đất sét Thọ lộc, Đồng Trại, cao silic
Đức Hóa, Lý Hòa, quặng sắt Sen Thủy, Tiến Hóa, thạch cao Lào, than cám 4c Hòn
Gai- Quảng Ninh, dầu DO.
Đá vôi và đất sét được khai thác và chở bằng xe tải tới trạm đập (1), (3). Tại đây
chúng được đập vỡ với nhau. Phương pháp này làm tăng tính đồng nhất của vật liệu
và giảm lượng bụi thải ( Sử dụng máy lọc (10) ).
Vật liệu từ mỏ được làm giảm kích thước bằng những máy đập khác nhau. Các
khối đá được giảm kích thước từ 120cm đến khoảng từ 1.2-8cm. Vật liệu thô cũng có
thể cần được sấy để pha trộn và đập hiệu quả hơn.
Nguyên liệu sau khi đập lẫn chạy qua máy phân tích hệ thống sử dụng tia Gamma

ngẫu nhiên để giám sát và điều chỉnh thành phần hóa học của hỗn hợp đá vôi, đất sét.
 Bước 2: Lưu kho tạm thời và trộn nguyên liệu
Từ trạm đập, nguyên liệu thô sẽ được vận chuyển qua máy cào liệu (5), (6) vào
kho tròn (7), (20) bằng băng tải. Nguyên liệu sẽ được đồng nhất sơ bộ trước khi đưa
vào máy nghiền.
 Bước 3: Phối liệu
Trạm phối cấp liệu (7) cấp nguyên liệu tới máy nghiền (8), (20) với số lượng và
thành phần nhất định nhằm đạt được các hệ số chế tạo như mong muốn.
 Bước 4: Nghiền nguyên liệu
8


Nguyên liệu được nghiền trong máy nghiền liệu (8) tới độ mịn yêu cầu. Sau đó bột
liệu nghiền được đưa tới silo đồng nhất bột liệu.
 Bước 5: Đồng nhất
Bột liệu được trộn đều và chứa trong silo đồng nhất (9), từ đó được cấp tới tháp
trao đổi nhiệt.
 Bước 6: Nung, trao đổi nhiệt và phân hủy
Bột liệu được nung sơ bộ trong tháp trao đổi nhiệt dạng xiclon (11) và phân hủy
trong buồng phân hủy.
Dưới tác dụng quay của lò bột liệu được luân chuyển qua các zone trong lò được
kết khối ở nhiệt độ 1300-1400oC.
 Bước 7: Làm nguội clinker
Sau quá trình nung để hình thành clinker người ta làm nguội nhanh clinker xuống
còn khoảng 75-100oC bằng dàn ghi làm lạnh, quạt cao áp và nước làm lạnh (13). Phần
lớn nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình làm nguội clinker đều được thu hồi để sử dụng
cho sản xuất.
 Bước 8: Chứa clinker
Sau khi được làm nguội clinker được băng tải vận chuyển vào kho chứa clinker
(15) là trạm cấp liệu cho giai đoạn nghiền clinker tạo xi măng tiếp theo.

 Bước 9: Cán, nghiền clinker
Clinker được cấp đến máy cán (16) và máy nghiền bi (17) thành những hạt nhỏ
theo yêu cầu.
Những viên clinker đạt yêu cầu phân li và rơi thẳng xuống gầu xiên, còn những
viên, tảng clinker chưa đạt yêu cầu được dàn ghi vận chuyển tới máy đập sơ bộ đến
kích thước yêu cầu rơi xuống gầu xiên vận chuyển lên đổ xuống gầu nâng vận chuyển
đổ vào xích cào, vận chuyển đổ vào silo clinker ủ.
Các phụ gia được đưa vào trong quá trình nghiền clinker nhằm đạt được sản phẩm
xi măng có phẩm cấp và chủng loại theo yêu cầu.
 Bước 10: Chứa, đóng gói và vận chuyển
Xi măng thành phần được chuyển tới 2 silo chứa xi măng (22) mác PCB40 hoặc
PCB50. Sau đó xi măng được xuất dưới dạng bao, rơi theo đường bộ và đường thủy
tới bên mua.

9


Chương 2:
Hệ thống điều khiển DCS của dây chuyền sản xuất
xi măng
2.1 Mô tả cấu hình hệ thống DCS
Để quản lý hệ thống một cách đồng bộ, tin cậy, đáp ứng được thời gian thực thì hệ
thống phải tổ chức như thế nào về vấn đề kết nối, phân chia nhiệm vụ làm việc và phải
có độ dự phòng cao. Tất cả những vấn đề này đòi hỏi phải có một hệ thống mở và đa
nhiệm.

Hình 2.1: Nhiệm vụ chức năng các cấp trong nhà máy
Các hoạt động của nhà máy như tính toán lãi suất, kế hoạch phát triển được điều
hành thông qua ban quản lý công ty. Ban quản lý sẽ quyết định mọi hoạt động của nhà
máy thông qua dữ liệu, thông số mà ban sản xuất báo cáo. Quá trình sản xuất được

thực hiện và giám sát thông qua hệ DCS.
Toàn bộ quá trình sản xuất của nhà máy được thực hiện tự động hoá ở mức độ cao
và điều khiển tập trung CCR (Central Control Room) để kiểm soát toàn bộ hoạt động
của nhà máy, đồng thời cho phép điều chỉnh kịp thời các thông số khi chất lượng của
sản phẩm thay đổi hoặc khi có sự cố bất thường xảy ra.
Ở nhà máy xi măng VCM trang bị 2 Server, chia làm 5 nhóm:
10


 Tầng trên cùng có 6 trạm vận hành (Operator Station) OS1, OS2, OS3, OS4,
OS5, OS6. Các trạm này được đặt tại phòng điều khiển trung tâm, các trạm hoạt động
song song và độc lập với nhau. Trạm kĩ thuật ES ( Engineer Station) cũng đặt ở phòng
điều khiển trung tâm cho phép thiết lập, cấu hình hệ thống.
 Tầng dưới có 5 trạm hiện trường FS (Field Station), mỗi trạm thực hiện chức
năng điều khiển các công đoạn khác nhau trong nhà máy.
 FS1 (Limestone crusing & conveying E.R(801))
 FS2 (Raw meterial crusing & conveying E.R(802) and Limestone preblending storage E.R (803))
 FS3 (Raw material grinding Waste gas treatment (804))
 FS4 (Clinker Cooling and conveying Electric Room (805))
 FS5 (Cool Grinding (806))

Hình 2.2: Hệ thống điều khiển DCS nhà máy xi măng VCM
2.2 Chức năng các khâu trong hệ thống
a) Trạm vận hành (Operating system)
Thực hiện chức năng giám sát, điều khiển các công đoạn khác nhau của nhà máy.
Các trạm được thiết kế để giám sát và điều khiển ít nhất là 2 công đoạn sản xuất. Tuy
nhiên, các phần mềm chạy trên tất cả các trạm hoàn toàn giống nhau, vì thế trong
trường hợp cần thiết mỗi trạm đều có thể thay thế chức năng của các trạm khác.

11

Hình 2.3: Trạm vận hành
Chức năng cụ thể:
 Hiển thị các hình ảnh chuẩn (hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnh từng
mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực và đồ thị quá
khứ)
 Hiển thị các hình ảnh đồ họa tự do (lưu đồ công nghệ, các phím điều khiển)
 Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu, các hệ thống
hướng dẫn chỉ đạo và hướng dẫn trợ giúp
 Tạo và quản lý các công thức điều khiển (cho điều khiển mẻ)
 Xử lý các sự kiện, sự cố
 Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu
 Chẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống
 Hỗ trợ lập báo cáo tự động
OS sử dụng máy tính công nghiệp với màn hình lớn (19inh) và độ phân giải cao để
theo dõi quá trình sản xuất. Trạm có cả hệ thống hỗ trợ thao tác như chuột và bàn
phím.
Đặc điểm tiêu biểu của các trạm vận hành hiện đại là sử dụng kỹ thuật giao diện
người-máy kiểu đa cửa sổ với các phần tử giao diện chuẩn.
b) Trạm kỹ thuật (Engineering station)

Hình 2.4: Trạm kỹ thuật

12


Trạm kỹ thuật là nơi cài đặt các công cụ phát triển, cho phép đặt cấu hình cho hệ
thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển và giao diện người máy,
đặt cấu hình và tham số hóa các thiết bị trường. Việc tạo ứng dụng điều khiển được

thực hiện theo phương pháp khai báo, đặt tham số và ghép nối các khối chức năng có
sẵn trong thư viện. Cũng như các trạm vận hành, thiết bị sử dụng là các máy tính công
nghiệp.
Trạm kỹ thuật có 2 server hoạt động song song, có tinh chất độc lập có thể hoạt
động thay thế nhau khi xảy ra sự cố.
c) Trạm trường
Mỗi trạm trường được điều khiển bằng các bộ điều khiển cỡ lớn S7 – 400 của
Siemen. Các I/O được đưa về CPU theo chuẩn Profibus DP, ở các khu vực dễ cháy nổ
như khu vực lò nung, trạm nghiền thì làm việc theo chuẩn Profibus PA.
Các trạm quan trọng đều được trang bị 2 CPU với 1 cái làm việc ở chế độ dự
phòng khi xảy ra sự cố với CPU chính. Các trạm điều khiển quá trình này đưa thông
tin về 2 server1 và server2 đặt ở phòng engineering thông qua hệ thống cáp quang và
cáp ethernet. Mạng này gọi là mạng client/server network.
Hai sever có chức năng cung cấp các dịch vụ truy cập đến các controller theo thời
gian thực, nhật ký vận hành, các cảnh báo và các sự kiện xảy ra ở các thiết bị lưu trữ
khác trong quá trình vận hành.
Mỗi trạm thực hiện chức năng điều khiển các công đoạn khác nhau trong nhà máy.
 FS1 (Limestone crusing & conveying E.R (801)):

Hình 2.5: FCS01

13


Trạm này điều khiển động cơ nghiền đá vôi và băng tải vận chuyển. PLC sử
dụng 1 CPU 414-3PN được sử dụng để điều khiển, nó giao tiếp với các thiết bị
ngoại vi cũng như điều khiển động cơ thông qua hệ thống profibus DP. Dữ liệu từ
PLC sẽ được truyền lên server thông qua tuyến cáp quang.
 FS2 (Raw meterial crusing & conveying E.R(802) and Limestone pre-blending
storage E.R (803)):

Hình 2.6: FCS02
Trạm này có nhiệm vụ điều khiển quá trình nghiền, vận chuyển liệu thô khác và
khâu đồng nhất sơ bộ và đưa vào kho, được trang bị 2 CPU cho PLC S7-400 và 3 I/O
modules ( 2 cho khâu nghiền liệu thô, 1 cho khâu đồng nhất sơ bộ).
 FS3 (Raw material grinding Waste gas treatment (804)):
14


Trạm này có nhiệm vụ điều khiển quá trình nghiền liệu thô và xử lý khí thải. Trạm
FCS03 cũng sử dụng 2 CPU 414-5H và 4 I/O module, ngoài ra còn có các bộ chuyển
đổi từ chuẩn Profibus PA sang DP, khi truyền các tín hiệu từ khu vực dễ cháy nổ đến
FCS.

Hình 2.7: FCS03
 FS4 (Clinker Cooling and conveying Electric Room (805)):
Trạm 4 chịu trách nhiệm điều khiển quá trình làm mát Clinker và chuyển đến kho
chứa: bao gồm các quạt làm mát và động cơ băng tải để vận chuyển clanke vào kho
chứa. Trạm cũng bao gồm 2 CPU, 4 I/O module và bộ chuyển đổi từ Profibus PA
sang DP.

Hình 2.8: FCS04
 FS5 (Cool Grinding (806)):
Trạm 5 điều khiển quá trình làm mát clinker và trộn thêm phụ gia trước khi nghiền
thành xi măng, bao gồm điều khiển máy nghiền than đá cung cấp cho lò nung clanke,
băng tải chuyển clanke.
15


Hình 2.9: FCS05

2.3 Mô tả các BUS và phương thức truyền thông trong hệ thống
Nhà máy xi măng VCM sử dụng hệ thống điều khiển phân tán - 1 hệ thống
điều khiển phức tạp được chia thành các hệ thống điều khiển con bé hơn liên lạc trao
đổi thông tin với nhau.
Cấu trúc mạng truyền thông của nhà máy xi măng VCM sử dụng hệ thống
mạng công nghiệp Siemen, hệ tự động hóa được chia làm 3 mức:
 Mức tế bào: Thực hiện các chức năng điều khiển, tự động hóa, tối ưu hóa. Các
thiết bị sử dụng là máy tính, PLC, màn hình điều khiển OP (operation control).
 Mức trường: Ghép nối các bộ điều khiển với các thiết bị trong dây chuyền sản
xuất xi măng.
 Mức cảm biến/chấp hành: Ghép cảm biến, thiết bị chấp hành với PLC.
Tùy theo mức độ quản lý có 2 loại mạng:
 Mạng ethernet công nghiệp
 Mạng Profibus

16


Hình 2.10: Các hình thức truyền thông trong nhà máy
a) Mạng Ethernet công nghiệp
Ethernet là phương thức truy cập mạng máy tính cục bộ (LAN) được sử dụng
phổ biến nhất. Ethernet được định nghĩa chuẩn 802.3 của IEEE, kết nối tối đa 1024
trạm, phương thức dùng để kết nối các trạm OS với nhau, 2 server và trạm máy chủ
ES.

Hình 2.11: Mạng Ethernet trong nhà máy
Hệ thống điều khiển được cấu trúc theo dạng mạch vòng có dự phòng duy trì,
trong đó, các máy tính ở phòng vận hành được liên kết theo hình sao - Star topology
thông qua Switch tạo thành 1 mạng Lan và kết nối với các bộ điều khiển PLC trong
từng công đoạn thông qua mạng truyền thông công nghiệp Ethernet tạo nên một mạch

vòng khép kín.
b) Mạng cáp quang
Cáp quang được sử dụng để truyền dữ liệu với tốc độ cao, tryền xa từ máy chủ tới
các thiết bị trường cách hàng kilomet.
Theo như sơ đồ hệ thống thì nhà máy sử dụng mạng cáp quang truyền tín hiệu từ
trạm vận hành đến trạm trường với khoảng cách lên đến 1700m.
c) Mạng Profibus
17


Đây là một chuẩn truyền thông được SIEMENS phát triển từ năm 1987 trong DIN
19245. PROFIBUS được thiết lập theo phương pháp hệ truyền thông mở, không phụ
thuộc vào nhà chế tạo (Open Communication Network) phục vụ cho các cấp phân
xưởng và cấp trường. Mạng PROFIBUS tuân theo chuẩn EN 50170 cho phép kết nối
các bộ điều khiển PLC, các thiết bị vào/ra phân tán, các bộ lập trình PC/PG, các cơ
cấu chấp hành, các thiết bị hãng khác

Hình 2.12: Cấu hình mạng Profibus
Cơ cấu truyền tin là theo cơ cấu chủ/tớ, mỗi trạm có thể gán là chủ hay tớ. Giữa
các trạm chủ sử dụng phương thức truy cập token passing.
Trong nhà máy sử dụng 2 dạng chính của Profibus là: Profibus DP và PA
 PROFIBUS – DP (Distributed Peripheral) phục vụ cho việc trao đổi thông tin
nhỏ nhưng đòi hỏi tốc độ truyền nhanh. PROFIBUS – DP được xây dựng tối ưu cho
việc kết nối các thiết bị trường với máy tính điều khiển. PROFIBUS – DP phát triển
nhằm đáp ứng yêu cầu cao về tính năng thời gian trong trao đổi dữ liệu, giữa cấp điều
khiển cũng như các bộ PLC hoặc các máy tính công nghiệp với các ngoại vi phân tán
ở cấp trường như các thiết bị đo, truyền động và van. Việc trao đổi chủ yếu được thực
hiện tuần hoàn theo cơ chế Master/Slave. Với số trạm tối đa trong một mạng là 126,
PROFIBUS – DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono Master) hoặc nhiều
trạm chủ (Multi Master). Một đặc trưng nữa của PROFIBUS – DP là tốc độ truyền

cao, có thể lên tới 12 Mbit/s.
 Process Automation) được thiết kế riêng cho những khu vực nguy hiểm.
PROFIBUS – PA là sự mở rộng của PROFIBUS – DP về phương pháp truyền dẫn an
toàn trong môi trường dễ cháy nổ theo chuẩn IEC 61158-2. PROFIBUS – PA là loại
bus trường thích hợp cho các hệ thống điều khiển phân tán trong các ngành công
nghiệp hoá chất và hoá dầu. Thiết bị chuyển đổi (DP/PA-Link) được sử dụng để tích
hợp đường mạng PA với mạng PROFIBUS DP. Điều này đảm bảo cho toàn bộ thông
tin có thể được truyền liên tục trên hệ thống mạng PROFIBUS bao gồm cả DP và PA.

18


Hình 2.13: Các Slave trong mạng Profibus

19


Chương 3:
Bộ điều khiển (PLC) chính của dây chuyền sản xuất
3.1 Giới thiệu chung
S7-400 là thiết bị điều khiển logic khả trình tiếp sau S7-300 được Siemens phát
triển, được dùng trong các ứng dụng và lĩnh vực lớn. Hầu hết các nhiệm vụ tự động
hóa có thể thực hiện với cá thành phần được lựa chọn phù hợp.

Hình 3.1: PLC S7-400
PLC S7-400 có các ưu điểm vượt trội hơn so với các bộ điều khiển logic khả trình
trước nó về cả phần cứng và phần mềm. Đó là:
- CPU được phân loại chuyên biệt và rõ ràng
- Tốc độ xử lý của CPU cao.
- Module nhỏ gọn.

- Có nhiều loại module phù hợp cho cấu hình trung tâm và cấu hình trạm phân tán
- Các module tín hiệu có thể lắp vào, gỡ ra khi hệ thống đang có điện. Thuận tiện
khi thay thế các module.
S7-400 đặc biệt thích hợp cho các tác vụ dữ liệu chuyên sâu trong các ngành công
nghiệp lớn. Tốc độ xử lý cao phục vụ tốt cho các ngành công nghiệp sản xuất. Nhiều
thành phần của S7-400 có sẵn trong một phiên bản SIPLUS để hoạt động trong các
điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Một số lĩnh vực ứng dụng của S7-400 bao gồm: Sản xuất xi măng, cầu trục lớn,
công nghiệp ô tô, hệ thống kho tự động, kỹ thuật xây dựng, ngành công nghiệp thép,
giấy và in ấn, công nghiệp hóa chất.
S7 - 400 dễ dàng phù hợp cho bài toán cần lưu trữ nhiều dữ liệu trong công nghiệp
gia công…

20


- Tốc độ xử lý cao phù hợp trong các nhà máy sản xuất công nghiệp có máy móc cần
tốc độ cao, thời gian đáp ứng nhanh, đảm bảo cho chu kỳ thời gian của máy ngắn
nhất.
- Tốc độ xử lý cao đảm bảo cho việc truyền dữ liệu cho các môđun I/O trung tâm.
- S7 - 400 có thể tích hợp toàn nhà máy và điều khiển truyền thông cấp dưới với các
trạm Slave. Điều này đảm bảo cho việc truyền thông tốc độ cao và tích hợp giao tiếp
hệ thống khác.
- Nguồn của S7 - 400 có thể điều chỉnh được để phù hợp với các CPU, công suất
nguồn hầu như không giới hạn.
- S7 - 400 có thể sắp sếp một dãy modun mà không cần quy tắc cụ thể.
- Có nhiều loại mô đun phù hợp cho cả hai cầu hình trung tâm và cấu hình trạm phân
tán.
- Cấu hình của các I/O phân tán có thể thay đổi ngay khi đang hoạt động.
- Các mô đun tín hiệu có thể gỡ ra và lắp thêm vào khi hệ thống vẫn đang có điện (hot

swapping). Điều này thuận tiện cho việc thay thế các mô đun trong khi bị lỗi.
3.2 Đặc tính kỹ thuật phần cứng: CPU, I/O, ghép nối truyền thông
a) CPU
CPU dòng S7-400 bao gồm nhiều loại khác nhau và chuyên biệt. Nhà máy xi
măng VCM sử dụng S7-400 CPU 414-5H (chữ H thể hiện module hiệu suất lớn)

Hình 3.2: CPU 414-5H
• Kích thước : 50x290x219 mm
• Nguồn điện: 24 VDC
• Bộ nhớ làm việc: 4 MB, trong đó, bộ nhớ chương trình: 2 MB + bộ nhớ dữ liệu 2
MB. Hỗ trợ mở rộng bộ nhớ EEPROM bằng thẻ nhớ ngoài lên đến 64 MB.
• Ram: 512 kbyte, hỗ trợ mở rộng Ram lên đến 64 Mbyte.
• Tốc độ xử lý:
- For bit operations, typ. 18.75 ns
- For word operations, typ. 18.75 ns
21


- For fixed point arithmetic, typ. 18.75 ns
- For floating point arithmetic, typ. 37.5 ns
• Các khối của CPU:
-

Khối dữ liệu(DB): Tối đa 6000 blocks.Kích thước max 64 Kbyte
Khối chương trình(FC): Tối đa 3000 blocks. Kích thước 64 Kbyte
Khối chức năng (FB): Tối đa 3000 blocks .Kích thước 64 Kbyte
Khối tổ chức (OB) : Kích thước 64 Kbyte

• Vùng địa chỉ:
- Input: 8 Kbytes

- Output: 8 Kbytes
• Số timer: 2048. Thời gian đếm từ 10ms – 9990 s
• Số counter: 2048. Thời gian đếm từ 0 – 999
• Chức năng ghép nối:
- Profibus DP master/slave. (có thể ghép nối max 16 trạm)
- MPI (có thể ghép nối với max 32 trạm)
- Ethernet/ Profinet
• Lập trình: Phần mềm STEP 7
• Ngôn ngữ lập trình: LAD, FBD, STL, SCL, CFC, GRAPH, HiGraph®.
- Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”,ký hiệu là STL ( Statement List). Đây là dạng ngôn ngữ
lập trình thông thường của máy tính. Một chương trình được ghép bởi nhiều câu
lệnh theo 1 thuật toán nhất định, mỗi lệnh theo 1 thuật toán nhất định, mỗi lệnh
chiếm 1 hàng và đều có cấu trúc chung lad “tên lệnh”+”toán hạng”.
- Ngôn ngữ hình thang ký hiệu LAD (Ladder Logic). Đây là dạng ngôn ngữ đồ
họa thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển logic.

Hình 3.3: Ngôn ngữ LAD
- Ngôn ngữ hình khối, ký hiệu là FBD (Funtion Block Diagram). Đây là dạng
ngôn ngữ đồ họa thích hợp với những người quen thiết kế mạch diều khiển số.

22


Hình 3.4: Ngôn ngữ hình khối
b) I/O
Dựa trên nguồn tín hiệu vào/ra người ta chia thành các dạng vào ra cơ bản sau:
- Các module vào/ra rời rạc số
- Các module vào/ra tương tự
- Các module vào/ra mở rộng
Các đầu vào số được ghép nối với các thiết bị vào như: nút nhấn, cảm biến đầu ra

ON/OFF, công tắc hành trình…
Các đầu ra số được ghép nối với các thiết bị ra nhận tín hiệu đóng/cắt các thiết bị
chấp hành.
Đầu vào tương tự làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu tương tự (hay còn gọi là tín hiệu
analog) thành tín hiệu số để lưu vào vùng nhớ nhất định để PLC xử lý. Các tín hiệu
khác nhau như tốc độ quạt, nhiệt độ lò, khối lượng,… đều được chuẩn hóa dưới 2
dạng là dòng điện và điện áp như: 0-20 mA, 4-20 mA,-5V-5V, -10V-10V, 0V-5V,
0V-10V.
Với các module vào/ra mở rộng có chức năng tăng cường khả năng kết nối của
PLC với các thiết bị ngoại vi trong trường hợp có nhiều hơn các I/O cần được kết nối.

Hình 3.5: Phần cứng PLC
c) Ghép nối truyền thông
23


S7-400 có 2 ngõ giao tiếp RS485 và 2 ngõ giao tiếp Ethernet RJ45 nó có thể kết
nối với nhau, qua máy tính hoặc mạng công nghiệp bằng các cách sau:
-

Qua Simatic Net CP Enthernet tới một mạng Enthernet công nghiệp
Qua Simatic Net CP PROFIBUS tới một mạng PROFIBUS khác
Qua giao tiếp MPI có sẵn tới một mạng MPI khác
Qua giao tiếp PROFIBUS DP có sẵn tới một mạng giao tiếp PROFIBUS khác

S7-400 hỗ trợ tối đa 64 kết nối khác nhau.

24

Hình 3.6: Kết nối MPI
2.3 Phần mềm lập trình STEP 7
a, Giới thiệu phần mềm

25