Nghiên cứu khảo sát và tính toán hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều để điều khiển chuyển động máy công nghiệp

i
..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------- --------

LÊ PHÚC THẢO

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ TÍNH TỐN HỆ TRUYỀN ĐỘNG
BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60 52 02 16

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Võ Quang Lạp

Thái Nguyên, 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

ii
LỜI CAM ĐOAN

Sinh ngày: 15 tháng 11 năm 1985
Học viên lớp Cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trƣờng Đại học Kỹ thuật

Công nghiệp Thái Nguyên
–
Tôi xin cam đoan đây là toàn bộ nội dung luận văn “
”, đƣợc thầy giáo PGS.TS Võ Quang Lạp hƣớng dẫn. Các

tài liệu tham khảo đã đƣợc chỉ ra trong luận văn. Các số liệu nêu trong luận văn
là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn chƣa từng đƣợc ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào.
Tơi xin cam đoan nếu có gì sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm./.
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2014

Tác giả

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iii
LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của
nhà trƣờng, các khoa, phịng chức năng, các thầy cơ giáo và đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa sau đại học, các giảng viên
Trƣờng Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, đã tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận
văn này.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy giáo PGS.TS Võ Quang

Lạp đã tận tình hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cơ giáo ở phịng thí nghiệm đã
giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do thời gian nghiên cứu có hạn, nên có thể luận vẫn
cịn những thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo
và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hồn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong
thực tế.
Xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2014

Tác giả

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... II
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... III
MỤC LỤC .................................................................................................................IV
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...............................................VI
........................................................... VII
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
CH

............................. 2
.................................................................................... 2
...................................................... 2

1.2.1 Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc ......................... 2
420................................................................................ 4
7-300 ............................................................................... 10
................................................................................... 20
(encoder) ............................................................ 20
1.3.2.

................................................................ 21

CHƢƠNG 2. KHẢO SÁT TÍNH TỐN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ............................. 22
2.1. Xây dựng hệ điều khiền vecter .......................................................................... 22
............................................................. 22
… stator (  ,  ) .............................. 24

2.1.2.

2.1.3.. Quy đổi các đại lƣợng của động cơ ................................................................ 27
................................ 29
..................................................... 33
.............................. 35
ển vecter ......................................................... 37
2.2. Xây dựng hệ điều khiển số biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha ............... 42
..................................................................... 45
............................. 45
............................ 49

2.4. Quá trình khảo sát cụ thể .................................................................................... 51
2.4.1 Khảo sát ổn định mạch vòng dòng điện .......................................................... 51
2.4.2 Q trình khảo sát ổn định mạch vịng tốc độ................................................. 57
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

v
2.5. Khảo sát chất lƣợng hệ truyền động................................................................... 60
a. Sử dụng phần mềm Matlap simulink .................................................................... 60
1. Khảo sát chất lƣợng mạch vòng dòng điện ........................................................... 60
2. Khảo sát chất lƣợng mạch vòng tốc độ ................................................................. 62
.................................................................................... 65
1. Khảo sát chất lƣợng mạch vòng dòng điện ........................................................... 65
2. Khảo sát chất lƣợng mạch vòng tốc độ ................................................................. 69
................................................................................... 73
3.1. Giới thiệu thiết bị thí nghiệm ............................................................................. 73
3.2. Nguyên lý làm việc ............................................................................................ 75
3.3. Thí nghiệm ......................................................................................................... 75
3.3.1. Bài thí nghiệm 1 (khâu P) .............................................................................. 76
3.3.2. Bài thí nghiệm 2 (khâu PI) .............................................................................. 76
3.4. So sánh đánh giá kết quả thí nghiệm với tính tốn ............................................ 77
CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ ĐIỆN
XOAY CHIỀU ĐIỀU KHIỂN BỞI PLC S7-300 CHO THANG MÁY .................. 79
4.1. Công dụng của thang máy................................................................................. 79
4.1.1 Tình hình sử dụng thang máy ở Việt Nam ....................................................... 79
4.1.2 Phân loại và kí hiệu thang máy ........................................................................ 80
4.1.3 Cấu tạo của thang máy ..................................................................................... 83
4.2 Chế độ làm việc của tải và yêu cầu của hệ truyền động điện dùng trong thang máy
................................................................................................................................... 85

4.2.2 Các yêu cầu về truyền động điện ..................................................................... 87
4.2.3 Các yêu cầu về năng suất, dừng chính xác, tiết kiệm năng lƣợng và AT ........ 88
4.2.4 Sơ đồ mạch điện và nguyên lý làm việc .......................................................... 93

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ĐCKĐB

: Động cơ điện không đồng bộ

Ec

: Encoder

P

: Bộ điều chỉnh tỷ lệ.

PID

: Bộ điều chỉnh dùng S7-300

WL(p)

: Hàm truyền khâu lấy tín hiệu dịng điện

Uđb

: Điện áp đồng bộ.

Uω

: Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ.

T, T1

: Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lƣợng tử).

H(p)

: Khâu lƣu giữ 0.

T(p)

: Hệ số truyền biến tần

Uc

: Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung.

Kω

: Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ đƣợc lấy từ Encoder

Ki , Kp

: Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện.

Ku

: Hệ số khuếch đại của bộ biến tần
: Hệ số thời gian của biến tần;

Tu

CT, C0T

: Hàm số truyền kín của mạch vịng dịng điện
: Ma trận quy đổi

W1(P)

: Hàm số truyền khâu điện từ động cơ xoay chiều

WKI

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

vii

Trang
1-1

2

1-2

Đường đặc tính của động cơ KĐB

3

1-3

3

1-4

Đường đặc tính của động cơ KĐB
420

1-5

sơ đ

1-6

Giản đồ nguyên lý biến tần

6

1-7

Vectơ không gian và vectơ biên chuẩn

9

1-8

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID
Vịng qt chương trình

10

1-9

4
3 pha

5

13

1-10

20

1-11

21

Hình 2-1

22

2-2

24

2-3

stator (,)
Hệ tọa độ cố định trên stator (  ,  ) về hệ tọa độ cố định trên

26

rotor (x, y)

Biểu diễn vector dòng điện rotor trên hệ tọa độ cố định
2-4

stator (  ,  ) và hệ tọa độ cố định rotor (x, y)

27

Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định
2-5

stator (  ,  ) và hệ tọa độ tựa theo từ thơng rotor (d,q)

29

Hình 2-6

35

2-7

36

h 2-8

(d,q)

2-9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

36
39
/>

viii
.

2-10

Hình 2-11

2-12

Hình 2-13

40
Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa của hệ thống truyền động

điện sử dụng biến tần và động cơ KĐB
Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ truyền động điện sử dụng
biến tần và động cơ KĐB
Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ điện sử dụng biến tần và
động cơ KĐB

Hình 2-25

42

43

43
44

Hình 2-15

Sơ đồ cấu trúc hệ thống

45

Hình 2-25

Sơ đồ mơ phỏng mạch vịng dịng điện theo Matlab Sumulink

61

Hình 2-26a

Đáp ứng dịng điện với kp = 0,25; ki = 50; T= 0,5Tu = 0,002

62

Hình 2-26b

Đáp ứng dịng điện với kp = 0,25; ki = 42; T= 0,5 Tu = 0,00165

43

Hình 2-27

Sơ đồ mơ phỏng mạch vịng tốc độ theo Matlab Sumulink

64

Đáp ứng được tốc độ với kp= 0,25; ki = 42; kω= 0,0006

Hình 2-28a

Hình 2-28b

64

T=0,5Tu=0,00165
Đáp ứng được tốc độ với kp= 0,25; ki = 50; kω= 0,00058;
T=0,5Tu= 0,002

64

Hình 3-1

Sơ đồ khối hệ truyền động

74

Hình 3-2

Các thiết bị mơ hình thực nghiệm

74

3-3

Kết quả thí nghiệm khâu P

76

3-4

Kết quả thí nghiệm khâu PI

77

Hình 4-1

Cấu tạo thang máy trở khách

84

Hình 4-2

Chế độ làm việc của tải

86

Hình 4-3

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của quãng đường s, tốc độ
v, gia tốc a và độ giật  theo thời gian

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

87
/>

ix

Hình 4-4

Đồ thị xác định số lần dừng

Hình 4-5

a) Sơ đồ xác định độ chính xác khi dừng buồng thang; b)

81

Sự phụ thuộc của độ dừng chính xác ∆S của buồng thang

91

vào trị số tốc độ và gia tốc
Hình 4-6

Sơ đồ mạch điện truyền động cho thang máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

93

/>

1
MỞ ĐẦU

1. Mục tiêu của luận văn
Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha hiện đang đƣợc sử
dụng phổ biến, song hệ biến tần này đƣợc điều khiển bằng máy tính hoặc PLC là
một hệ thống truyền động mới thơng minh và hiện đại.
Ở phịng thí nghiệm của Nhà trƣờng có bộ biến tần động cơ điện xoay chiều
này, đƣợc điều khiển bằng PLC S7 -300. Để nắm đƣợc nguyên lý hoạt động của
hệ truyền động, đồng thời nghiên cứu ứng dụng vào truyền động trong máy sản
xuất nên tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khảo sát và tính tốn hệ truyền động
biến tần động cơ điện xoay
”.
Kết quả đề tài sẽ làm tài liệu quý giúp cho nghiên cứu học tập đồng thời có
thể áp dụng kết quả nghiên cứu để vận hành, sửa chữa những thiết bị ngồi thực
tế.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tính toán khảo sát hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều đƣợc

điều khiển bằng PID S7-300 đây là một hệ thống điều khiển số. Việc tính tốn
khảo sát dựa trên kết quả mô phỏng giúp chúng ta kiểm nghiệm so sánh với kết
quả thí nghiệm.
- Tiến hành thí nghiệm và kiểm nghiệm các chế độ làm việc của hệ truyền
động biến tần động cơ xoay chiều đƣợc điều khiển bởi bộ PID S7-300 cụ thể là:
Xác định đƣợc chất lƣợng của hệ thống với các bộ điều khiển đƣợc ứng dụng là
khâu P và khâu PI trong mạch vịng tốc độ để so sánh với lý thuyết tính tốn,
đồng thời thơng qua thí nghiệm giúp cho việc nắm sâu sắc hơn về nguyên lý làm
việc của hệ thống này và hiểu đƣợc quá trình vận hành điều khiển hệ thống.
- Từ kết quả lý thuyết và thực nghiệm chúng ta khẳng định ứng dụng của hệ
truyền động này là khả thi, từ đó đề xuất ứng dụng cho một số máy trong cơng
nghiệp.
.
3. Nội dung luận văn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

2

Nội dung luận văn gồm 3 chƣơng:
Chƣơng I: Xây dựng sơ đồ hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều
điều khiển PID S7-300.
chiều.
Chƣơng IV. Ứng dụng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

3

Chƣơng 1. Xây dựng sơ đồ hệ truyền động biến tần động cơ
điện xoay chiều điều khiển PID S7-300.
1.1 Sơ đồ khối hệ truyền động.

e

Sp

PID

Kp

U

Ki

Biến tần V
(M420)

(S7-300)
Pv

Kd

W

Động cơ 3 pha

Encoder
Tín hiệu xung Encoder chuyển
đổi sang tốc độ động cơ

1
1.2 Chức năng nhiệm vụ của các khối trong sơ đồ
1.2.1 Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc
Động cơ điện xoay chiều khơng đồng bộ ba pha trong sơ đồ là đối tƣợng điều
khiển của hệ truyền động. Động cơ này đƣợc điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi tần
số của điện áp ra biến tần, cơng thức tính momen của động cơ này đƣợc thể hiện
nhƣ sau:
Mm 

3U 12 . p
3p U 2
 2 ( 1 )2
2.2 . f 1 .2 . f 1 L 8 L f 1

Từ cơng thức trên ta có hai phƣơng pháp điều khiền
-

Phƣơng pháp 1:

U1
là hằng số, tăng U1, tăng f1 phƣơng pháp điều chỉnh
f1

này thích ứng với momen cản là hằng số (hình 1.2).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

4

ω(Mp )
f11

ω1
ωn

f1n

ω2

f12

0
Mmm

Mn

M

Mp = K

Hình 1.2: Đường đặc tính của động cơ KĐB
Phƣơng pháp 2: Tăng tần số nhƣng giữ nguyên điện áp ta đƣợc đạc tính
nhƣ (hình 1.3)
ω

ω(Mp)
ω1

f11

ωn

f1n

ω2
f12

0
Mp1 Mpn

Mp2

M

Pp = K

Hình 1.3: Đường đặc tính của động cơ KĐB
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

5

Phƣơng pháp này rất thích hợp trong q trình điều chỉnh tốc độ của máy sản

xuất. Momen biến thiên công suất là hằng số. với phƣơng pháp điều chỉnh tốc
độ này tạo ra khả năng ứng dụng của động cơ này rất lớn, đặc biệt nó dùng trong
hệ thống tự động truyền động điện biến tần động cơ điện xoay chiều đƣợc ổn
định tốc độ thì hệ thống này khơng kém gì hệ truyền động tự động. Vì vậy hệ
truyền động này đƣợc sử dụng phổ biến trong hệ thống máy cơng nghiệp
1.2.2

420

Biến tần ở nƣớc ta hiện có rất nhiều loại do các cơng ty của nƣớc ngồi cung
cấp nhƣ Siemen, Mishubishi … dƣới đây là hình ảnh của biến tần MB420 cảu
hãng Simen.

1.4

D1

T1
Uv

420

T3

D3

T5

D5

T6

D6

T2

D2

Co
T4

D4

Za

1.5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

Zc

Zb

3 pha
/>

6

1.5), quá trình khống chế các van từ
V1 đến V6, điện áp pha, dòng điện qua van, qua đi ốt và dòng điện qua phụ tải
đƣợc thể hiện nhƣ trên (hình 1.6). Với việc khống chế theo phƣơng pháp bình

thƣờng thì điện áp ra là khơng đạt hình Sin. Và để điều khiển biến tần có thể
điều chỉnh theo 3 phƣơng pháp sua:
- Phƣơng Pháp khinh điển
- Phƣơng pháp điều chỉnh độ rộng xung (PWM – puls with modulation)
- Phƣơng pháp điều khiển vecter không gian (Space vecter modulation –
SVM)
Trong 3 phƣơng pháp trên thì phƣơng pháp điều khiển vecter khơng gian có
nhiều ƣu điểm vì vậy trong hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều
ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp này. Dƣới đây là nội dung của phƣơng pháp
điều khiển vecter khơng gian.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

7

V1

θ
0

60

120

180

240

300

360
θ

V2
V3

θ

V4

θ

V5

θ

V6

θ

UA
2/3E

iA

1/3E

θ

0
φ

iv1
θ

0
iv4

0

θ

0

θ

iD1

iD4
θ

0
id

θ
0

Hình 1.6: Giản đồ khống chế các van và dịng, áp của các phần
tử trong sơ đồ biến tần 3 pha

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

8

a)

: u = (ua, ub, uc

= (ia, ib, ic). ch
,

.
0  nhƣ sau:
2
3

U= (u A  auB  a 2 u c )
=e
A,

j

2
3



1

3
j
2
2

(j2 = - 1)

uB, uC

:

uA = Umcos( t )
uB = Umcos( t 

2
)
3

uC = Umcos( t 

2
)
3

uc = Umej( t )


0  , U

.

b)
1.5,
.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

9

.

:

S
TT
0

Van dẫn

uA

uB

uC

u

T1, T3, T5

0

0

0

0

1

T5, T6, T1

1/3E

-2/3E

1/3E

2 j3
Ee
3

2

T6, T1, T2

2/3E

-1/3E

-1/3E

2  j
Ee
3

-2/3E

2 j3
Ee
3





3

T1, T2, T3

1/3E

1/3E

2
3

4

T2, T3, T4

-1/3E

2/3E

-1/3E

2 j
Ee
3

5

T3, T4, T5

-2/3E

1/3E

1/3E

2  j
Ee
3
2 j
Ee
3

6

T4, T5, T6

-1/3E

-1/3E

2/3E

7

T2, T4, T6

0

0

0

2
3

0



vector không gian U

0  , nhƣ trên

1.7.

.
c) Tổng hợp vectơ không gian từ các vectơ biên
Một vectơ khơng gian bất kì, giả sử nằm trong một góc phần sáu nào đó, có


thể đƣợc tổng hợp từ hai vectơ biên. Trên hình 1.7, giả sử vectơ khơng gian U
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

10

nằm trong góc phần tƣ thứ I, có thể đƣợc thể đƣợc tổng hợp từ hai vectơ biên


U



2,

U 3.






U = U p+ U

t





trong đó U p và U t gọi là vectơ phải và vectơ trái là hai vectơ nằm dọc theo




hai vectơ biên U 2, U 3.

Hình 1.7: Vectơ không gian và vectơ biên chuẩn
Độ dài vectơ phải, trái đƣợc tính nhƣ sau:


| U p| =


| U t| =



2
3
2
3

|u|sin(   )
3

|u|sin 

 là góc chỉ vị trí tƣơng đối của vectơ u trong góc phần sáu. Thực chất, phép

điều chế vectơ không gian tạo ra các vectơ u p, ut trong mỗi chu kỳ tính tốn, hay
cịn gọi là mỗi chu kỳ cắt mẫu Ts. Độ dài của các vector này đƣợc xác định bởi
giá trị trung bình theo thời gian tồn tại của các vector u 1, u2 trong mỗi chu ký Ts
nhƣ sau:


| U p| =

tp
ts





| U 1|; | U p| =

tp
ts



| U 2|

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

11

Độ dài của các vector biên chuẩn đƣợc xác định bởi giá trị của các điện áp


một chiều đầu vào | U p| =



2
E
3

| U p| =



2
Ui
3

U



| U | = U0.
:
tp = Ts

U0 2

sin(   )
Ui 3
3

ut = Ts

U0 2
sin 
Ui 3

p

Uo
Ut

, 0  q  1,
: tp = Ts q


2
sin(  0) ; tt = Ts q
sin
3
3

3

2

:
tp + tt  Ts
Khoảng thời gian còn lại trong chu kỳ cắt mẫu, t 0 = Ts –(tp + tt), phải áp dụng
vector khơng. Điều kiện trên nói lên rằng vector điện áp ra phải nằm trong vòng
tròn tiếp xúc với các cạnh của lục giác đều nhƣ biểu diễn trên hình 1.7.
1.2.3
7-300
1. Các module của PLC S7-300
Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, bộ điều khiển PLC đƣợc thiết
kế khơng bị cứng hóa về cấu hình chúng đƣợc chia nhỏ thành các module. Số
các module đƣợc sử dụng nhiều hay ít phụ thuộc vào bài tốn.
a. Module CPU: Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module khác nhau và
chúng thƣờng đƣợc đặt tên the bộ vi xử lý có trong nó nhƣ module CPU312,
CPU314, CPU315.
Những module cùng sử dụng một loại vi xử lý nhƣng khác nhau về cổng
vào/ra onboard cũng nhƣ các khối hàm đặc biệt đƣợc tích hợp sẵn trong thƣ viện
của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra này sẽ đƣợc phân biệt
với nhau trong tên gọi bằng cách thêm cụm chữ cái IFM (Intergrated funtion
module).
b. Module mở rộng: Các module mở rộng đƣợc chia thành 5 loại chính.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

12

+ PS (Power supply): Module nguồn ni: PS power có 3 loại: 2A, 5A, 10A.
+ SM (Signal module): Module mở rộng tín hiệu vào/ra bao gồm.
 DI (Digital input) Module mở rộng các cổng vào số.
 DO (Digital output) Module mở rộng các cổng ra số.
 DI/DO (Digital input/ Digital output): Module mở rộng các cổng vào/ra
số.

Kp

E(iT)

KiT(Z+1)

EZ

2(Z-1)

Ci(T)
Ci(Z)

K(Z-1)
T.Z

Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID
 AI (Analog input): Module mở rộng các cổng vào tƣơng tự.
 AO (Analog output): Module mở rộng các cổng ra tƣơng tự chúng chính
là những bộ chuyển đổi số tƣơng tự.
 AI/AO: (Analog input/Analog output): Module mở rộng các cổng vào/ra
tƣơng tự.
+ IM (Intuface module): Module ghép nối

+ FM (Function module) Module có chức năng điều khiển riêng.
+ CP (Communication module): Module phụa vụ truyền thông tin trên mạng
giữa các PLC với nhau hoạc giữa PLC với máy tính.
2. Cấu trúc bộ nhớ của CPU
* Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chƣơng trình chia làm ba
miền:
 OB (Organiration block): Miền chứa chƣơng trình tổ chức.
 FC(Function): Miền chứa chƣơng trình con đƣợc tổ chức thành hàm có
biến hình thức để trao đổi data với trƣơng trình đã gọi nó.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

13

 FB (Function block):Miền chứa chƣơng trình con đƣợc tổ chức thành hàm
và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chƣơng trình nào khác. Các
data này phải đƣợc xây dựng thành một khối dữ liệu riêng gọi là (BD- Data
block).
* Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng
Vùng này đƣợc phân chia thành 7 miền khác nhau bao gồm:
 I (Process image input): Miền bộ đệm các data cổng vào số.
 Q(Process image output): Miền bộ đệm các data cổng ra số.
 M: Miền các cờ
 T(Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian.
 C(Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm.
 PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tƣơng tự (I/O external input).
 PQ: Miền địa chỉ cổng ra cuả các module tƣơng tự (I/O external output).
Vùng chứa các khối dữ liệu được chia làm 2 loại:
 DB (Data block) Miền chứa dữ liệu đƣợc tổ chức thành khối.

 Local data bock: Miền dữ liệu địa phƣơng
3. Vòng quét chương trình
PLC thực hiện chƣơng trình theo chu kì lặp, mỗi vòng lặp đƣợc gọi là vòng
quét (scan). Mỗi vòng quét đƣợc bắt đầu bằng giai đoạn chuyển từ các cổng vào
số tới bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chƣơng trình. Trong từng
vịng qt chƣơng trình đƣợc thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của
khối OBL (Block end).
Sau giai đoạn thực hiện chƣơng trình là giai đoạn chuyển các nội dung của
bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét đƣợc kết thúc bằng giai đoạn tuyền
thông nội bộ và kiểm lỗi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

14

Truyền thông và
kiểm tra nội bộ

Truyền thông và
kiểm tra nội bộ

Truyền thông và
kiểm tra nội bộ

Truyền thông và
kiểm tra nội bộ
Hình 1.9 : Vịng qt chương trình
Thời gian cần thiết để thiết lập PLC thực hiện một vòng quét gọi là thời vịng

qt (scan timer). Thời gian vịng qt khơng cố định, nhƣ vậy giữa việc đọc dữ
liệu từ đối tƣợng để xử lý, tính tốn và tín hiệu điều khiển tới đối tƣợng có một
khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét. Vậy thời gian vòng quét
quyết định thời gian thực hiện chƣơng trình điều khiển trong PLC.
4. Cấu trúc chương trình
Chƣơng trình cho S7-300 đƣợc lƣu trong bộ nhớ của PLC ở vùng dành riêng
cho chƣơng trình có thể lập với hai dạng cấu trúc khác nhau.
* Lập trình tuyến tính: Tồn bộ chƣơng trình điều khiển nằm trong một bộ
nhớ. Loại hình cấu trúc này hợp với những bài tốn tự động nhớ, khơng phức
tạp. Khối đƣợc chọn phải là khối OB1, là khối PLC ln qt và thực hiện các
lệnh trong nó thƣờng xun, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và lại quay lại
lệnh đầu tiên.
* Lập trình có cấu trúc: Chƣơng trình đƣợc chia thành những phần nhỏ với
từng nhiệm vụ riêng và những phần này nằm trong những khối chƣơng trình
khác nhau. Loại hình cấu trúc này phù hợp với nhừng bài toán điều khiển nhiều
nhiệm vụ và phức tạp. PLC S7-300 có 4 loại khối cơ bản sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

15

 Loại khối OB (Organization block): Khối tổ chức và quản lý chƣơng trình
điều khiển.
 Loại khối PB (Program block): Khối chƣơng trình với chức năng riêng
giống nhƣ một chƣơng trình con hoặc một hàm (chƣơng trình con có biến hình).
 Loại khối FB (Function block): Là loại khối đặc biệt có khả năng trao đổi
một lƣợng dữ liệu lớn với các khối chƣơng trình khác.
 Loại DB (Data block): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện

chƣơng trình. Các tham số của khối do ngƣời dùng tự đặt. Một chƣơng trình ứng
dụng có thể có nhiều khối OB, các nhóm OB này đƣợc phân biệt với nhau bằng
một số ngun nhóm kí tự. Khối OB1 ln dƣợc nhóm PLC quét và thực hiện
các lệnh từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay lại lệnh đầu tiên.
5. Ngơn ngữ lâp trình của S7-300
Các loại PLC nói chung thƣờng có nhiều ngơn ngữ lập trình nhằm phục vụ
các đối tƣợng khác nhau.PLC có 3 ngơn ngữ lập trình cơ bản đó là:
- Ngơn ngữ “liệt kê lệnh”, kí hiệu là STL (Statement list)
- Ngơn ngữ “hình thang” kí hiệu là LAD (Ladder logic)
- Ngơn ngữ “hình khối” kí hiệu là FBD(Funtion block diagram)
Một chƣơng trình viết trên LAD hoặc FBD có thể chuyển sang đƣợc dạng
STL nhƣng ngƣợc lại thì khơng. Trong STL có nhiều lệnh mà trong LAD hoặc
FBD khơng có. Cũng chính vì lí do đó nên trong luận văn này em chọn STL làm
ngơn ngữ lập trình.
* Các lệnh và biểu diễn số trong chƣơng trình
Ngơn ngữ PLC S7-300 đƣợc trang bị những cơng cụ toán học mạnh giúp
cho những ứng dụng và phát triển chƣơng trình điều khiển mềm dẻo và dễ dàng.
Do điều kiện về thời gian nên phạm vi luận văn chỉ đƣa ra những lệnh có liên
quan đến chƣơng trình điều khiển.
a. Biểu diễn số thực
Do dữ liệu sử dụng là số thực nên ở đây chỉ đƣa ra cách biểu diễn số thực
trong các ô nhớ. Số thực phẩy động luôn bƣợc biểu diễn thành dãy 32 bits. Dạng
cấu trúc dấu phẩy động nhƣ sau:
s(1 bit)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

e(8bit)

f(32bit)

/>

16

- Bit s là bit dấu (s = 0 số dƣơng, s = 1 số âm)
- Phần e chỉ số mũ
- Phần f: phần hệ số. F = b0.2-1 + b1.2-2 + b2.2-3 + …+ b22.22-23
- uk = (-1)s2e-127.(1+f)
b. Thanh ghi trạng thái và cấu trúc lệnh
- Cấu trúc lệnh
Ví dụ: Nhãn:
L
PIW304
// đọc nội dung cổng vào
Analog
Tên lệnh
Toán lệnh
- Thanh ghi trạng thái
Khi thực hiện lệnh CPU sẽ ghi lại trạng thái phép tính trung gian cũng nhƣ
kết quả vào một thanh ghi đặc biệt 16 bits gọi là thanh ghi trạng thái, nhƣng chỉ
sử dụng 9 bits.
BR

CC
1

CC
0

OV

OS

OR

ST
A

RL
O

FC

+ FC: Khi thực hiện dẫy lệnh logic liên tiếp, FC có giá trị 1. FC = 0 khi dãy
lệnh kết thúc.
+ RLO: Kết quả tức thời của phép tính logic vừa thực hiện.
+ STA: Bit trạng thái này ln có giá trị logic tiếp điểm đƣợc chỉ định trong
lệnh.
+ OR: Ghi lại giá trị phép tính logic hoặc cuối cùng đƣợc thực hiện để giúp
cho việc thực hiện phép tính và sau đó.
+ OS: Ghi lại giá trị bit bị tràn ra ngồi giá trị bảng ơ nhớ.
+ CC0 và CC1: Hai bit báo trạng thái kết quả phép tính với số nguyên, số
thực, phép dịch chuyển hoặc phép tính logic trong ACCU.
CC1

CC0

0
0

1

0
1
0

Ý nghĩa
Kết quả bằng 0
Kết quả nhỏ hơn 0
Kêt quả lớn hơn 0

Khi thực hiện lệnh toán học nhƣ cộng, trừ, nhân, chia với số thực, số nguyên.
c. Các lệnh logic tiếp điểm
- Lệnh gán
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>