Thiết kế và thi công hệ thống giám sát trang trại chăn nuôi sử dụng PLC S7 1200

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
GIÁM SÁT TRANG TRẠI CHĂN NUÔI

GVHD: PGS Ts. Nguyễn Minh Tâm
SVTH: Nghiêm Sỹ Tú

MSSV: 15141325

SVTH: Bùi Hải Phong

MSSV: 13141235

Tp. Hồ Chí Minh - 12/2019


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HỊA 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:

Bùi Hải Phong

MSSV: 13141235

Nghiêm Sỹ Tú

MSSV: 15141325

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử truyền thông

Mã ngành: 41

Hệ đào tạo:

Mã hệ: 1

Đại học chính quy

Lớp: 13141DT1B

Khóa: 2015

15141DT2C
I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT
TRANG TRẠI CHĂN NUÔI

II. NHIỆM VỤ
Nội dung thực hiện:
• Nội dung 1: Tìm hiểu PLC S7 – 1200.
• Nội dung 2: Tìm hiểu cách kết nối của cảm biến nhiệt ẩm với PLC S7-1200.
• Nội dung 3: Thiết kế mơ hình hệ thống chuồng trại chăn nuối heo có giám sát.
• Nội dung 4: Thiết kế mơ hình tồn hệ thống.
• Nội dung 5: Thi cơng mơ 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 mơ hình.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 26/08/2019
IV. NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ: 28/12/2019
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS Ts. Nguyễn Minh Tâm

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

i


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HỊA 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: Bùi Hải Phong
Lớp: 13141DT1B
Họ tên sinh viên 2: Nghiêm Sỹ Tú
Lớp: 15141DT2C

MSSV: 13141235
MSSV: 15141325

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT TRANG
TRẠI CHĂN NUÔI
Tuần/ngày
Tuần 1
(26/08/201901/09/2019)
Tuần 2
(02/09/201908/09/2019)
Tuần 3
(09/09201915/09/2019)
Tuần 4
(16/09/201922/09/2019)
Tuần 5,6
(23/09/20106/10/2019)
Tuần 7,8
(07/10/201920/10/2019)
Tuần 9,10,11,12
(21/10/2019 17/11/2019)
Tuần 13,14
(18/11/201901/12/2019)
Tuần 15 (02/12 08/12/2019)
20/12/2019

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
Tìm hiểu cách kết nối truyền nhận dữ liệu
giữa cảm biến và PLC S7-1200
Tiến hành thiết kế phần cứng cho toàn hệ
thống.
Tiến hành thiết kế và thi cơng 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 trên web.
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 cơng trình đã có trước đó. Nếu có bất kỳ sự gian lận nào chúng
tơi xin chịu trách nhiệm về nội dung đồ án của mình.

Người thực hiện

Bùi Hải Phong

Nghiêm Sỹ Tú

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 cơ 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 mơn chun 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 PGS Ts. Nguyễn Minh Tâm
người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt q trình làm khố 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 hồn thành khố
luận tốt nghiệp.

Sinh viên thực hiện đồ án

Bùi Hải Phong

Nghiêm Sỹ Tú

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............................................................................................ vii
LIỆT KÊ BẢNG ...................................................................................................ix
TÓM TẮT .............................................................................................................. x
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 THEO DÕI VÀ GIÁM SÁT TRANG
TRẠI CHĂN NUÔI. ................................................................................. 4

2.2.

TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PLC S7-1200................................................ 4

2.3

TRUYỀN THÔNG MODBUS TRÊN RS485 VỚI PLC S7-1200 ....... 13

2.4

BƠM CHÌM 220V................................................................................. 16

2.5 ARDUINO UNO R3 ................................................................................. 20
Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ........................................................... 29
3.1.

MƠ HÌNH HỆ THỐNG .......................................................................... 29

3.1.1. Giới thiệu về hệ thống............................................................................. 29

3.1.2. Chức năng từng phần .............................................................................. 29
v


3.2.

TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................. 29

3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................ 29
3.2.3. Sơ đồ kết nối PLC với tồn hệ thống ....................................................... 34
Chương 4. THI CƠNG HỆ THỐNG .................................................................. 35
4.1.

GIỚI THIỆU........................................................................................... 35

4.2.

THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................................ 35

4.2.1. Thi cơng phần khung của hệ thống.......................................................... 35
4.3

LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG ............................................................. 37

4.3.1. Lưu đồ giải thuật ..................................................................................... 37
4.2.3. Phần mềm lập trình cho PLC ................................................................... 41
Chương 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ ........................................... 49
5.1.

KẾT QUẢ .............................................................................................. 49

5.2.

NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ. .................................................................... 53

Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................ 54
6.1.

KẾT LUẬN ............................................................................................ 54

6.2.

HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................................... 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 55
PHẦN PHỤ LỤC ................................................................................................. 56

vi


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình 2. 1 : Tổng quan PLC 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 thơng PLC S7- 1200........................................... 13
Hình 2. 5: Sơ đồ kết nối RS485 ......................................................................... 14
Hình 2. 6: Cảm biến SHT10 .............................................................................. 15
Hình 2. 7: Bơm chìm......................................................................................... 16
Hình 2. 8: Động cơ DC 12V.............................................................................. 16
Hình 2. 9: Nút nhấn........................................................................................... 17

Hình 2. 10: Nút dừng khẩn cấp ......................................................................... 17
Hình 2. 11: Relay trung gian 24V...................................................................... 18
Hình 2. 12: Vít tải ............................................................................................. 18
Hình 2. 13: Quạt thổi ........................................................................................ 19
Hình 2. 14: Đèn sợi tóc ..................................................................................... 19
Hình 2. 15: Những phiên bản của Arduino ........................................................ 21
Hình 2. 16: Arduino Uno .................................................................................. 22
Hình 2. 17: Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn .............................................. 24
Hình 2. 18: Arduino đời đầu ............................................................................. 25
Hình 2. 19: Các lỗ vít giúp cố định vị trí Arduino ............................................. 25
Hình 2. 20: Các ngõ vào/ngõ ra của Arduino..................................................... 26
Hình 2. 21: Các shield xếp chồng lên Arduino .................................................. 28
Hình 2. 22: Một số shield thơng dụng ............................................................... 28
Hình 3. 1: Sơ đồ khối của hệ thống ................................................................... 30
Hình 3. 2: Giao diện hệ thống scada .................................................................. 32
Hình 3. 3: Giao diện web .................................................................................. 33
Hình 3. 4: Sơ đồ chân của PLC ......................................................................... 34
Hình 4. 1: Thiết kế phần khung hệ thống........................................................... 35
Hình 4. 2: Bên ngồi bảng điều khiển ............................................................... 36
Hình 4. 3: Bên trong bảng điều khiển. ............................................................... 36
Hình 4. 4: Lưu đồ giải thuật chế độ bằng tay ..................................................... 38
vii


Hình 4. 5: Lưu đồ giải thuật chế độ tự động ...................................................... 39
Hình 4. 6: Lưu đồ giải thuật chế độ tự động ...................................................... 40
Hình 4. 7: Tia Portal V14 .................................................................................. 42
Hình 4. 8: Giao diện bắt đầu của chương trình .................................................. 42
Hình 4. 9: Giao diện tạo dự án mới. .................................................................. 42
Hình 4. 10: Giao diện bắt đầu của dự án mới .................................................... 43

Hình 4. 11: Giao diện Devices & networks ....................................................... 43
Hình 4. 12: Giao diện Add new device. ............................................................. 44
Hình 4. 13: Giao diện làm việc.......................................................................... 44
Hình 4. 14: Giao diện viết chương trình. ........................................................... 44
Hình 4. 15: Giao diện web cập nhật giá trị của nhiệt độ - độ ẩm........................ 45
Hình 4. 16: Giao diện SCADA quản lí hệ thống. ............................................... 45
Hình 4. 17: Biểu tượng Visual studio ................................................................ 47
Hình 4. 18: Giao diện tạo một project mới ........................................................ 47
Hình 4. 19: Giao diện lựa chọn ......................................................................... 48
Hình 4. 20: Cấu hình cho web. .......................................................................... 48
Hình 5. 1: Mặt trước của hệ thống ..................................................................... 49
Hình 5. 2: Mặt bên của hệ thống. ...................................................................... 50
Hình 5. 3: Bên trong của hệ thống ..................................................................... 50
Hình 5. 4: Giao diện giới thiệu trường của trang web. ....................................... 51
Hình 5. 5: Giao diện giới thiệu đồ án của trang web .......................................... 51
Hình 5. 6: Giao diện truy xuất tồn bộ dữ liệu cảm biển.................................... 52
Hình 5. 7: Giao diện truy xuất dữ liệu theo thời gian và tên cảm biến ............... 53

vii


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: Một vài thông số của Arduino UNO R3………………………………...23

vii


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 trị hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực
khoa học kỹ thuật, quản lý, cơng 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 ni công nghiệp, chúng em đã được thấy nhiều khâu tự động hóa
trong qui trình chăn ni tạo ra các sản phẩm chăn ni chất lượng cao. Một trong đó
là các trang trại chăn nuôi giám sát các nhu cầu cơ bản của vật ni sử dụng bộ điều
khiển lập trình PLC Siemens.
Sau khi tìm hiểu, nghiên cứu về các đề tài và cơng trình trước đây, nhóm quyết
định chọn đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT
TRANG TRẠI CHĂN NI”.
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 ni, thu gom và xử lí chất thải … sẽ tạo ra một hệ
thống phân trang trại thông minh và hoàn thiện.

x


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ
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 trị 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 q trình sản xuất. Một trong
những ứng dụng đó là áp dụng vào quy trình chăn ni 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 cơng trình trước đây, nhóm quyết
định chọn đề tài: “THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT
TRANG TRẠI CHĂN NI”.
Đã có khá nhiều đề tài thực hiện việc chăm sóc các loại vật ni khác nhau như
cá, bị. Nhưng với mỗi loại vật ni lại có những mơi trường chăm sóc khác nhau
thì lại cần có những mơ 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.
Với hệ thống chăn ni theo mơ hình truyền thống thì việc giám sát chưa chặt
sẽ vì mơi trường sống của vật nuôi chưa được giám sát và theo dõi chặt chẽ. Vì vậy
chúng ta cần xây dựng việc giám sát hệ thống theo dõi nhiệt độ, độ ẩm để phù hợp
với từng vật nuôi.

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 cơng mơ hình
trang trại chăn ni tự động. Bên cạnh đó là điều khiển và giám sát hoạt động của
mơ hình trên máy tính.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.3.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• NỘI DUNG 1: Nghiên cứu tài liệu về PLC S7 -1200, cảm biến nhiệt độ-độ

ẩm, bơm điện để bơm nước và relay trung gian.
• NỘI DUNG 2: Dựa trên các dữ liệu nhiệt độ - độ ẩm thu thập được, tiến
hành lựa chọn giải pháp thiết kế và thi cơng mơ hình. Kết nối các ngoại vi với PLC.
• 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
web online.
• NỘI DUNG 4: Thử nghiệm và điều chỉnh phần mềm, phần cứng để mơ hình
được tối ưu, sử dụng dễ dàng. Đánh giá các thơng số của mơ hình so với thông số
thực tế, hiệu suất hoạt động của hệ thống so với tính tốn.
• NỘI DUNG 5: Viết báo cáo thực hiện.
• NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện.

1.4.

GIỚI HẠN
• Mơ hình quy mơ cịn nhỏ.
• Mơ hình cịn chưa tối ưu, hình dáng cịn thơ kệch.
• Độ chính xác tương đối.
• Tốc độ cịn chậm do là điều khiển tuần tự.

1.5.

BỐ CỤC
• Chương 1: Tổng Quan.
• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
• Chương 3: Tính Tốn Và Thiết Kế.
• Chương 4: Thi Cơng 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 Tốn Và Thiết Kế.
Tính tốn 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 THEO DÕI VÀ GIÁM SÁT TRANG
TRẠI CHĂN NI.
Mơi trường sống là vơ cùng quan trọng với từng loại vật nuôi, việc giám sát
nhiệt độ - độ ẩm, cung cấp thức ăn nước uống và vệ sinh chuồng trại có thể thực
hiện bởi con người nhưng như vậy đối với một trang trại lớn thì sẽ tốn nhiều nhân
cơng và việc quản lí các số liệu về nhiệt độ - độ ẩm cho môi trường sống của heo
cũng trở nên khó khăn hơn, vì thế một hệ thống quản lí thơng tin và số liệu về môi
trường sống của heo 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 khơng 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 khơng 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 sốt q trình sản xuất hồn tồn 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, cịn khá nhiều
cơng ty hoàn toàn xa lạ với PLC. Tại sao như vậy? Về giá thành? Đúng là PLC còn
khá đắt nhưng chỉ với một cơng 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 khơng ít khó khăn cho người sử dụng. Vì vậy cần chủ động tiếp cận, khi nắm bắt
được rồi vấn đề chuyển giao cơng nghệ khơng cịn đáng lo và PLC có thể hiện tính

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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.
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
hồn tồn 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 tốn
học và cơng nghệ; khả năng tạo lập, gởi đi, tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích
kiểm sốt 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
mơi trường cơng 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.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

5

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
− Module đầu vào.
− Module đầu ra.
− 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 ln được qt.
− 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. Thơng 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. Thơng 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 tốn, các hàm truyền thơng, 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 vịng 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 vịng qt 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 thơng 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 ln được thực thi và ln được qt trong mỗi chu kì qt.
hình thức). Một chương trình ứng dụng có nhiểu khối chương trình con và các khối

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

➢ Lập trình tuyến tính: tồn bộ chương trình nằm trong một khối bộ nhớ. Loại hình
cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài tốn tự động nhỏ. Khơng 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 sốt
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 thơng 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
ngơn 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 mơi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.

Hình 2. 1 : Tổng quan PLC 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 dịng PLC S7- 1200.

Chức năng
Kích thước vật lý (mm)

CPU 1211C

CPU 1212C

90 x 100 x 75

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

CPU 1214C
110 x 100 x 75

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

Khơng

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

• Vng 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 thơng 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 cịn 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 thơng (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 MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG 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 thơng
Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thông (CM) dành cho các tính

năng bổ sung vào hệ thống. Có 2 module truyền thơng: RS232 và RS485.
• CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thơng.
• 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 thơng PLC S7- 1200
Chú thích:
1: Các LED trạng thái dành cho module truyền thông.
2: Bộ phận kết nối truyền thơng.
2.3 TRUYỀN THƠNG MODBUS TRÊN RS485 VỚI PLC S7-1200
2.3.1 Giới thiệu về giao thức Modbus
MODBUS do Modicon (hiện nay thuộc Schneider Electric) phát triển năm
1979, là một phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây
xoắn đơn. Ban đầu, nó hoạt động trên RS232, nhưng sau đó nó sử dụng cho cả
RS485 để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách dài hơn, và mạng đa điểm (multi-drop).
MODBUS đã nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn thơng dụng trong ngành tự động
hóa, và Modicon đã cho ra mắt cơng chúng như một protocol miễn phí.
MODBUS là một hệ thống “chủ - tớ”, “chủ” được kết nối với một hay nhiều
“tớ”. “Chủ” thường là một PLC, PC, DCS, hay RTU. “Tớ” MODBUS RTU
thường là các thiết bị hiện trường, tất cả được kết nối với mạng trong cấu hình
multi-drop. Khi một chủ MODBUS RTU muốn có thơng tin từ thiết bị, chủ sẽ gửi
một thông điệp về dữ liệu cần, tóm tắt dị lỗi tới địa chỉ thiết bị. Mọi thiết bị khác
trên mạng sẽ nhận thông điệp này nhưng chỉ có thiết bị nào được chỉ định mới có

phản ứng.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH

13


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Các thiết bị trên mạng MODBUS khơng thể tạo ra kết nối; chúng chỉ có thể phản
ứng. Nói cách khác, chúng “lên tiếng” chỉ khi được “nói tới”. Một số nhà sản xuất
đang phát triển các thiết bị lai ghép hoạt động như các tớ MODBUS, tuy nhiên
chúng cũng có “khả năng viết”, do đó làm cho chúng trở thành các thiết bị chủ ảo.

Hình 2. 5: Sơ đồ kết nối RS485
2.3.2. Giao tiếp truyền thông RS485
Đây là các phượng thức truyền thông mới đang dần hình thành. Phương thức
truyền thơng bằng modbus đang ngày càng phổ biến bởi tín tiên lợi và dễ sử dụng.
Ngày xưa để truyền tín hiệu của 1 cảm biến thì phải dùng hai dây. Ngày nay
truyền tín hiệu của 10 hoặc 20 cảm biến ta cũng cần dùng 2 dây. Điểm khác biệt ở
đây là ngày xưa dùng 4-20mA hoặc 0-0V thì ngày nay dùng tín hiệu Modbus RTU
RS485.
RS-485 sử dụng chênh lệch điện áp giữa 2 dây A và B để phân biệt logic 0 và
1. Khi truyền tín hiệu xa, nếu có sụt áp thì đồng thời sụt trên cả 2 dây nên tín hiệu
vẫn đảm bảo, RS485 cho phép truyền tín hiệu xa hơn và tốc độ truyền cho phép
cũng cao hơn, thêm nữa RS485 cho phép liên kết đa điểm, gồm nhiều thiết bị có
thể truyền thơng trong 1 mạng.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH

14