Nghiên cứu khai thác một số module điều khiển quá trình của hệ SIMATIC s7 300

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học Nông nghiệp hà nộI
---------------

Vũ xuân phong


Nghiên cứu khai thác một số module điều khiển
quá trình của hệ SIMATIC S7-300



luận văn thạc sĩ kỹ thuật



Chuyên ngành : điện khí hoá sản xuất
nông nghiệp và nông thôn
Mã số : 60.52.54


Ngời hớng dẫn khoa học: pgs.ts. phan xuân minh




Hà nội 2008
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
i

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong bản luận văn này là trung thực và chưa ñược công bố trong bất kỳ
công trình khoa học nào trước ñó.
Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi ñều
ñược chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả


Vũ Xuân Phong















Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
ii

LỜI CẢM ƠN

ðể hoàn thành luận văn này, trong thời gian qua tôi nhận ñược sự giúp ñỡ
nhiệt tình của quí thầy, cô giáo bộ môn ðiện kỹ thuật- Khoa Cơ ñiện trường ðại
học NNHN, của qui thầy quí giáo bộ môn ðiều khiển tự ñộng- ðH BK Hà Nội.
Tôi xin trân trọng cảm ơn quí thầy, cô bộ môn ðiện kỹ thuật, Khoa Cơ ñiện,
Khoa SðH, Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội.
Xin trân trọng gửi lời cảm ơn ñến quí thầy, cô giáo bộ môn ðiều khiển Tự
ñộng- ðHBK Hà Nội. ðặc biệt, xin trân trọng gửi lời cảm ơn ñến PGS-TS Phan
Xuân Minh- Người trực tiếp hướng dẫn ñã tận tình giúp ñỡ và ñóng góp nhiều ý
kiến quí báu ñể tôi hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Cao ñẳng nghề Cơ ñiện Xây dựng &
Nông Lâm Trung Bộ, khoa Khoa Kỹ thuật ñiện – nơi tôi ñang công tác ñã tạo mọi
ñiều kiện thuận lợi ñể tôi hoàn thành khóa học.
Trong quá trình thực hiện ñề tài không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
nhận ñược ý kiến của quí thầy cô giáo và các bạn ñồng nghiệp.

Tôi xin chân trọng cảm ơn!

Tác giả

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
iii


MỤC LỤC
MỞ ðẦU................................................................................................................ 1
PHẦN 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN................................................................. 3
1.1 Khái quát về kỹ thuật ñiều khiển .................................................................. 3
1.2. Thiết bị ñiều khiển khả trình (PLC).............................................................. 6
1.3 Hệ SIMATIC PLC S7-300 ........................................................................... 8
1.3.1 PLC là gì? ............................................. Error! Bookmark not defined.
1.3.2. Nguyên lý chung và cấu trúc bộ PLC..................................................... 6
1.3.3. Hệ PLC S7-300 ................................. Error! Bookmark not defined.
1.3.4. Các module của PLC S7-300............................................................... 10
1.4 Phần mềm STEP – 7................................................................................... 12
1.4.1 STEP7 ñịnh nghĩa và chức năng .......................................................... 12
1.4.2 Bộ chương trình STEP7 chuẩn (STEP7 Standard Package) .................. 12
PHẦN 2 MODULE ðIỀU KHIỂN MỀM TRONG STEP 7................................. 17
2.1 Module ñiều khiển quá trình........................................................................ 17
2.1.1 Modul ñiều khiển liên tục với FB41 “CONT_C”.................................. 18
2.1.2 Modul ñiều khiển bước FB42 “CONT_S” ............................................ 28
2.1.3 Khối tạo hàm xung FB43 “ PULSEGEN”............................................. 30
2.1.4 Một số chú ý khi sử dụng modul mềm PID........................................... 38
2.2 Module xử lý tín hiệu.................................................................................. 38
2.2.1 Hàm chuyển ñổi tín hiệu “SCALE” FC105........................................... 38
2.2.2 Hàm chuyển ñổi ngược “UNSCALE” FC106....................................... 39
PHẦN 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG CỤ ................................................... 42
3.1 Giới thiệu System Toolbox Indentification (SIT)........................................ 42
3.1.1 Nhận dạng ñối tượng ñiều khiển........................................................... 42
3.1.2 Mô hình hóa ñối tượng sử dụng công cụ System Identification ToolBox

...................................................................................................................... 43

3.2 Bộ ñiều khiển PID...................................................................................... 47
3.2.1 Bộ ñiều khiển PID ................................................................................ 47
3.2.2. Một số tác ñộng phụ không mong muốn và phương pháp ngăn ngừa ...... 49
3.2.3 Một số phương pháp lựa chọn cấu trúc và tính toán tham số trên cở sở bộ
ñiều khiển PID .............................................................................................. 50

3.4 Một số thuật toán ñiều khiển quá trình phát triển trên nền bộ ñiều khiển PID
.......................................................................................................................... 57

3.4.1 Thuật toán ñiều khiển Cascade ............................................................. 57
3.4.2 Thuật toán ñiều khiển có bù ảnh hưởng của nhiễu từ tín hiệu ñặt (setpoin)
...................................................................................................................... 58

PHẦN 4 CÀI ðẶT BỘ ðIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNHTRÊN NỀN CÁC MODULE
ðIỀU KHIỂN MỀM CỦA STEP 7....................................................................... 60

4.1 Cài ñặt bộ ñiều khiển PID bằng module mềm FB41 “CONT_C” và khối hàm
tạo xung FB43 “PUSEGEN”............................................................................. 60

4.2 Cài ñặt bộ ñiều khiển Cascade trên cở sở FB 41 “CONT_C”.................. 62
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
iv


4.3 Cài ñặt bộ ñiều khiển bù ảnh hưởng của nhiễu từ tín hiệu ñặt bằng FB 41
“CONT_C” ......................................................................................................... 63

PHẦN 5 ỨNG DỤNG THÍ NGHIỆM TRÊN LÒ NHIỆT ðIỆN TRỞ ....................... 66

2,3 KVA ................................................................................................................ 66
5.1. ðặc ñiểm bộ thí nghiệm ñiều khiển lò ñiện trở ........................................... 66
5.1.1. Sơ ñồ thí nghiệm ................................................................................. 66
5.1.2 Các thành phần trong sơ ñồ thí nghiệm................................................. 66
5.2 Chọn tham số bộ ñiều khiển PID cho lò ñiện trở......................................... 68
5.2.1 Mô hình hóa lò ñiện trở bằng công cụ System Identifcation Toolbox
trong MATLAB ............................................................................................ 68

5.2.2 Chọn tham số bộ ñiều khiển PID cho lò ñiện trở................................... 71
5.3 Kết quả thí nghiệm ñiều khiển lò nhiệt sử dụng bộ ñiều khiển PID trên cơ sở
các module mềm trong STEP7 .......................................................................... 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................... 80
PHỤ LỤC............................................................................................................. 81

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
v


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BðK Bộ ñiều khiển
ðTðK ðối tượng ñiệu khiển
HTðK Hệ thống ñiều khiển

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Đối tượng điều khiển ............................................................................... 4
Hình 1.2 Hệ thống điều khiển vòng hở ................................................................... 4
Hình 1.3 Hệ thống điều khiển vòng kín................................................................... 5
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc của bộ PLC...................................................... 7
Hình 1.5 Hệ thống điều khiển có một PLC .............................................................. 9
Hình 1.6 Hệ thống điều khiển phức tạp ................................................................. 10
Hình 1.7 SIMATIC S7 300 của SIEMENS .............................................................. 9
Hình 1.8 Sơ đồ kết nối các module của S7-300 trên rack...................................... 12
Hình 1.9 Giao diện màn hình Simatic Manager .................................................... 13
Hình 1.10 Giao diện chức năng chỉnh sửa tên hình thức (symbol)......................... 14
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc của khối FB41................................................................. 19
Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc chức năng điều khiển của khối FB41 ............................. 20
Hình 2.3 Giao diện tạo khối DB mới..................................................................... 21
Hình 2.4 Gán tham số cho khối FB 41 .................................................................. 21
Hình 2.5 Khối Dead Band..................................................................................... 23
Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc khối FB 42 ..................................................................... 29
Hình 2.7 Sơ đồ của khối tạo xung của FB 43 ....................................................... 31
Hình 2.8 Nguyên lý tạo xung của FB43................................................................ 31
Hình 2.9 Biểu đồ đặc tính ở chế độ điều khiển 3 vị trí.......................................... 34
Hình 2.10 Biểu đồ đặc tính ở chế độ 3 vị trí không đối xứng ................................ 35
Hình 2.11 Biểu đồ đặc tính ở chế độ 2 vị trí ......................................................... 36
Hình 2.12 Biểu đồ đặc tính ở chế độ điều khiển 2 vị trí 0-100%........................... 36
Hình 2.13 Dạng LAD của hàm FC105 .................................................................. 39

Hình 2.14 Dạng LAD của hàm FC106 ................................................................. 41
Hình 3.1 Giao diện của System Identification Tool GUI........................................ 46
Hình 3.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID.................................................................... 48
Hình 3.3 Cấu trúc bộ hiệu chỉnh khắc phục hiện tượng “Windup” ....................... 50
Hình 3.4 Xác định thông số đối tượng từ hàm quá độ ........................................... 51
Hình 3.5 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm để xác định k
th
và
gh
T
........................... 53
Hình 3.6 Hàm quá độ h(t) thích ứng vói phương pháp Chien- Hrones- Reswic ..... 54
Hình 3.7 Mối quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số thời gian ...................... 56
Hình 3.8 Cấu trúc BĐK theo nguyên lý Cascade................................................... 58
Hình 3.9 Cấu trúc bộ điều khiển có bù nhiễu từ tín hiệu đặt................................. 58
Hình 4.1 Cấu trúc chương trình trong khối OB35 ................................................. 61
Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển PID trong khối OB 35 ..................................... 61
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển Cascade trong khối OB 35............................... 62
Hình 4.4 Project của chương trình bộ điều khiển Cascade trong STEP7................... 63
Hình 4.5 Cấu trúc bộ điều khiển bù ảnh hưởng nhiễu ........................................... 64
Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển bù nhiễu trong khối OB35........................... 64
Hình 4.7 Project của chương trình bộ điều khiểnbù nhiễu trong STEP7................... 65
Hình 5.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm .......................................................................... 66
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
vii


Hình 5.2 Xung điện áp cấp cho lò nhiệt................................................................. 67
Hình 5.3 Giao diện của System Identification Tool và cửa sổ import data............ 70
Hình 5.4 Ước lượng mô hình quán tính bậc nhất có trễ........................................ 70

Hình 5.5 Đồ thị so sánh đầu ra đo được với tập số liệu đầu ra từ mô phỏng ........ 71
Hình 5.7 Sơ đồ bộ điều khiển PID trong STEP7................................................... 73
Hình 5.8 Tạo Project “Bộ điều khiển nhiệt độ” trong STEP7 ............................. 74
Hình 5.9 Khai báo đặt cấu hình cứng cho Project................................................ 74
Hình 5.10 Tạo Project mới trong WinCC ............................................................. 75
Hình 5.11 Đặt tên cho Project mới và đường dẫn ................................................ 75
Hình 5.12 Chọn trạm SIMATC S7......................................................................... 76
Hình 5.13 Chọn kết nối cáp MPI.......................................................................... 76
Hình 5.14 Tạo các Tag.......................................................................................... 76
Hình 5.15 Đặc tính nhiệt độ lò qua thực nghiệm điều khiển PID trên hệ SIMATIC77



















Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Kết hợp công tắc chuyển mạch.............................................................. 33
Bảng 2.2 Ví dụ về điều khiển nhiệt độ ................................................................... 33
Bảng 2.3 Tín hiệu ở chế độ điều khiển 2 vị trí ....................................................... 37
Bảng 2.4 Chế độ điều khiển 2 và 3 vị trí trong manual mode ................................ 37
Bảng 2.5 Giá trị của các biến của FC106 ............................................................ 40
Bảng 3.1 Công thức chuyển đổi giữa bộ PID_ADD và PID_MUL ........................ 49
Bảng 3.2 Tham số bộ điều khiển Ziegler Nichols theo phương pháp 1 .................. 52
Bảng 3.3 Tham số bộ điều khiển Ziegler Nichols theo phương pháp 2 .................. 53
Bảng 3.4 Tham số BĐK yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá điều
chỉnh..................................................................................................................... 54

Bảng 3.5 Tham số BĐK yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh
∆h<25%. .............................................................................................................. 54

Bảng 3.6 Tham số BĐK yêu cầu tối ưu theo theo tín hiệu đặt trước có độ quá điều
chỉnh ∆h ≤ 20%. ................................................................................................... 55

Bảng 3.7 Tham số BĐK yêu cầu tối ưu theo theo tín hiệu đặt trước và không có độ
quá điều chỉnh ∆h ≤ 20%. ..................................................................................... 55

Bảng 3.8 Tham số BĐK ưu tiên chế độ chống nhiễu theo phương pháp tổng Kunh
............................................................................................................................. 56

Bảng 3.9 Tham số BĐK ưu tiên chế độ tác động nhanh theo phương pháp tổng
Kunh ..................................................................................................................... 57

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
1


MỞ ðẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, các
thiết bị ñiều khiển số “thông minh” ngày càng ñược sử dụng phổ biến trong
các hệ thống ñiều khiển; các dây chuyền sản xuất ngày càng ñược thiết kế
hoàn chỉnh và ñồng bộ các giải pháp tự ñộng hóa cao. ðặc biệt với việc sử
dụng của PLC trong kỹ thuật ñiều khiển tự ñộng ngày càng tạo ñiều kiện
thuận lợi cho việc xây dựng các sách lược và thuật toán ñiều khiển, các hệ
thống ñiều khiển ngày càng linh hoạt và tối ưu . Các hệ tự ñộng tích hợp trọn
gói như DCS, SCADA là các giải pháp không thể thiếu trong các giải pháp
ñiều khiển tự ñộng công nghiệp.
Ở nước ta, các thiết bị ñiều khiển logic khả trình PLC của hãng
SIEMENS hiện nay ñang ñược dùng khá phổ biến. Việc nghiên cứu khai thác
triệt ñể những tính năng của chúng trong kỹ thuật ñiều khiển là rất cần thiết,
nó cho phép chúng ta phát huy tối ña tính năng công dụng của thiết bị; thực
hiện ñược nhiều bài toán ñiều khiển mà không cần tăng thêm chi phí ñầu tư
thêm thiết bị.
Vì vậy, trọng tâm của luận văn là tập trung nghiên cứu và ứng dụng một
số module ñiều khiển quá trình tích hợp trong phần mềm STEP7 và hệ
SIMATIC S7-300 của hãng SIEMEN, ứng dụng thí nghiệm kiểm chứng trên
lò ñiện trở 2,3 kVA tại phòng thí nghiệm.
Nội dung ñề tài bao gồm các vấn ñề sau:
Nghiên cứu tổng quan về thiết bị ñiều khiển, thiết bị ñiều khiển logic

khả trình PLC và phần mềm STEP7 của hệ PLC SIMATIC S7-300 (Phần 1).
Nghiên cứu ñặc ñiểm, cấu trúc, nguyên lý làm việc, các tham số ñầu
vào ñầu ra của các module mềm PID tích hợp sẵn trong STEP7: FB41, FB42,
FB43; các module xử lý tín hiệu FC105, FC106. (Phần 2).
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
2


Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và công cụ ñể mô hình hóa ñối tượng và
xây dựng một số thuật toán ñiều khiển sử dụng các module ñiều khiển quá
trình của hệ SIMATIC S7-300 (Phần 3).
Nghiên cứu cài ñặt một số bộ ñiều khiển PID sử dụng các module ñiều
khiển quá trình của hệ SIMATIC S7-300 (Phần 4).
Thí nghiệm kiểm chứng trên bộ thí nghiệm ñiều khiển lò ñiện trở, so
sánh với một số bộ ñiều khiển khác. Từ ñó rút ra kết luận thực tiễn và những
ñề xuất kiến nghị (Phần 5).

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
3


PHẦN 1
NGHIÊN C
ỨU TỔNG QUAN
1.1 Khái quát về kỹ thuật ñiều khiển
ðiều khiển trong kỹ thuật ñược hiểu là khoa học nghiên cứu về quá trình
thu thập, xử lý tín hiệu và ñiều khiển các quá trình và hệ thống thiết bị kỹ
thuật. ðó là tập hợp tất cả các tác ñộng mang tính tổ chức của một quá trình
nào ñó nhằm ñạt ñược mục ñích mong muốn của quá trình ñó. Hệ thống ñiều
khiển (Controll System-HTðK) mà không có sự tham gia trực tiếp của con
người ñược gọi là HTðK tự ñộng [2].
Kỹ thuật ñiều khiển phát triển từ rất xa xưa. Tuy nhiên, cho ñến những
năm 1940 của thế kỷ XX, cơ sở lý thuyết ñiều khiển tự ñộng ñược hình
thành. Khi ñó, các phương pháp khảo sát hệ “một ñầu vào, một ñầu ra -
SISO” như: Hàm truyền và biểu ñồ Bode ñể khảo sát ñáp ứng tần số và ổn
ñịnh; biểu ñồ Nyquist và dự trữ ñộ lợi /pha ñể phân tích tính ổn ñịnh của hệ
kín. Vào cuối những năm 1940 và ñầu những năm 1950 phương pháp ñồ thị
nghiệm của Evans ñã ñược hoàn thiện. Giai ñoạn này ñược coi là “ñiều khiển
cổ ñiển” [10].
ðến những năm 1960, là giai ñoạn phát triển của kỹ thuật ñiều khiển
ñược gọi là “ñiều khiển hiện ñại” (Modern Control). Hệ kỹ thuật ngày càng trở
nên phức tạp, có “nhiều ñầu vào, nhiều ñầu ra - MIMO”. Và phương pháp

ñiều khiển bằng biến trạng thái, lý thuyết ñiều khiển tối ưu có những bước
phát triển lớn dựa trên nền tảng nguyên lý cực ñại của Pontryagin và lập trình
ñộng lực học của Bellman. ðồng thời, lọc Kalman ñược hoàn thiện và nhanh
chóng trở thành công cụ chuẩn, ñược sử dụng trong nhiều lĩnh vực ñể ước
lượng trạng thái bên trong của hệ từ tập nhỏ các tín hiệu ño ñược [10].
Bắt ñầu từ những năm 1980, ứng dụng những thành tựu của toán học,
các nghiên cứu về ñiều khiển ñã ñưa ra ñược các phương pháp thiết kế bộ ñiều
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
4


khiển (BðK) ñể một hệ kỹ thuật vẫn ñảm bảo ñược các tính năng sử dụng khi
có tác ñộng của nhiễu và sai số- “kỹ thuật ñiều khiển bền vững hệ ña biến” .
Trong hai thập kỷ cuối, nhiều nhánh mới về ñiều khiển cũng ñã hình thành, ñó
là: thích nghi, phi tuyến, hổn hợp, mờ và neural [10].
Một hệ thống ñiều khiển là một liên kết của nhiều thành phần, tạo nên
một cấu hình hệ thống có khả năng ñáp ứng một nhu cầu nhất ñịnh. Một thành
phần hay một quá trình (Process) cần ñược ñiều khiển ñược gọi là ñối tượng
ñiều khiển (ðTðK), ñược biểu diễn bằng một khối có ñầu vào và ñầu ra.
Quan hệ vào – ra thể hiện mối quan hệ nhân quả của quá trình ñiều khiển,
trong ñó tín hiệu vào ñược xử lý nhằm tạo ra một tín hiệu ra, thường là với
năng lượng ñã ñược khuyếch ñại [1].

Hình 1.1 Đối tượng điều khiển
Một HTðK ñơn giản nhất bao gồm một bộ ñiều khiển (BðK) tác ñộng
lên một ðTðK và ñược gọi là HTðK vòng hở (open loop), việc sử dụng
BðK nhằm ñiều khiển một quá trình ñáp ứng một yêu cầu xác ñịnh trước.


Hình 1.2 Hệ thống điều khiển vòng hở

Trong ñó, ðTðK là thành phần tồn tại khách quan có tín hiệu ra là ñại
lượng cần ñiều khiển và nhiệm vụ cơ bản của thiết bị ñiều khiển là phải tác
ðáp ứng
mong muốn
ra
ðT ðK BðK
ðT ðK
vào ra
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
5


ñộng lên ñầu vào của ðTðK sao cho ñại lượng ñiều khiển ñạt ñược yêu cầu
mong muốn.
Thiết bị ñiều khiển (TBðK) là tập hợp tất cả các thiết bị của hệ thống
nhằm tạo ra tín hiệu ñiều khiển tác ñộng lên ðTðK.
Trái với HTðK vòng hở, một HTðK vòng kín (closed loop) ñược sử
dụng thêm một giá trị ño của tín hiệu ra thực sự ñể so sánh với ñáp ứng ñầu ra
ñược mong muốn cho quá trình cần ñiều khiển. giá trị ño này ñược gọi là tín
hiệu phản hồi (feedback signal). Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển vòng kín ñược
thể hiện hư hình vẽ [1].


Hình 1.3 Hệ thống điều khiển vòng kín
Hệ thống ñiều khiển phản hồi thường sử dụng hàm mô tả mối quan hệ
xác ñịnh trước giữa tín hiệu ra với tín hiệu vào ñối sánh ñể ñiều khiển.
Thường thì sự sai khác tín hiệu ra và tín hiệu vào ñối sánh ñược khuyếch ñại
và sử dụng ñể ñiều khiển sao cho sự sai khác liên tục giảm.
Ngày nay, hầu như trong bất cứ ngành kinh tế kỹ thuật nào nhất là các
ngành công nghiệp, ở ñâu cũng áp dụng kỹ thuật ñiều khiển tự ñộng hoá và vì

thế ñã làm thay ñổi diện mạo nhiều ngành sản xuất, dịch vụ. ðã xuất hiện
những nhà máy không có người, văn phòng không có giấy, cuộc chiến không
có lính, rồi ñến những thuật ngữ máy thông minh, thiết bị thông minh v.v.
ðáp ứng
mong muốn
ra
ðT ðK BðK So sánh
Hệ ño
ra
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
6


1.2. Thiết bị ñiều khiển khả trình (PLC)
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết ñiều khiển, các thiết bị
ñiều khiển hiện ñại, “thông minh” ñã ñược ra ñời ñể giải quyết các bài toán
ñiều khiển lớn cho những HTðK phức tạp. Hệ ñiều khiển này ñã xử lý hàng
ngàn thông tin lấy từ cảm biến ñể ñiều khiển hàng trăm cơ cấu chấp hành:
van, cấp nhiệt, bơm v. v. ñể cho ra sản phẩm với yêu cầu khắt khe về tính
năng kỹ thuật.
PLC (Programable Logic Controller) là loại thiết bị cho phép thực hiện
linh hoạt các thuật toán ñiều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình thay
cho việc phải thể hiện thuật toán ñó bằng mạch số. Như vậy, với chương trình
ñiều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ ñiều khiển số nhỏ gọn dễ thay
ñổi thuật toán và ñặc biệt dễ trao ñổi thông tin với môi trường xung quanh
(với PLC khác hoặc với máy tính). Toàn bộ chương trình ñiều khiển ñược lưu
nhớ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và ñược thực hiện
thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét. PLC là một cụm từ chỉ tất cả các linh
kiện, thiết bị hay một nhóm sản phẩm nào ñó kết hợp lại, những thiết bị này
ñược lập trình tuân thủ các tác vụ logic ñể tạo nên một HTðK bán tự ñộng

hoặc thuần tự ñộng.
Nguyên lý chung và cấu trúc bộ PLC
Hiện nay có khá nhiều hãng sản xuất PLC, nhưng nhìn chung trong cấu
trúc ñược mô tả dưới ñây.
* Sơ ñồ khối của PLC
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
7



Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc của bộ PLC
Cấu trúc BðK lập trình ñược rất gần gũi với máy tính PC (Personal
Computer). Thành phần của PLC bao gồm: CPU (Central Preccesing Unit),
RAM (Random-Access Memory), các bộ xử lý vào/ra, các bộ xử lý toán học
và các thành phần khác tương tự như PC nhưng ñược chế tạo ñặc thù thích
nghi với sử dụng vận hành trong môi trường công nghiệp. Cổng vào (input)
của PLC bao gồm các thiết bị nhập logic (S/W contact, sensor digital, sensor
analog, contac, bộ nhập panel số, HMI) ñưa ra ñồng thời một loạt các tác vụ
ra lệnh cho PLC thi hành, có thể là một ñoạn chương trình thông qua ñường
truyền thông và ñược lưu giữ trong bộ nhớ nội của PLC, Các lệnh logic ñược
lập trình sẽ xử lý sẽ xử lý và thực thi từ các cổng vào sau ñó kết quả xử lý trả
về qua ñường cổng ra (output) có thể là các relay, Tranzitor, Triac, kiểu ñiện
áp thay ñổi ñược hay vòng dòng ñiện (4-20A), một nhóm bít ñơn hoặc thậm
chí là cả một loạt các dòng lệnh có dung lượng lớn xuất ra một cổng (port)
truyền thông khác [3].
Khối xử lý
trung tâm
+
Hệ ñiều hành
Bộ nhớ chương trình

Bộ ñệm
vào/ ra
Timer
Counter
Bit cờ
Cổng vào/ ra
onboard
Cổng ngắt và ñếm
t
ốc ñộ cao
Quản lý ghép nối
Bus của PLC
CPU
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
8


Ngày nay, các HTðK tự ñộng sử dụng thiết bị ñiều khiển khả trình
(Programable Logic Controller- PLC) ngày càng phổ biến. Với những tính
năng ưu việt như: cấu trúc nhỏ gọn, tốc ñộ xử lý thời gian thực cao, nhiều
chức năng ñiều khiển, có ñộ mềm dẻo sử dụng rất cao, cộng với khả năng kết
nối với các TBðK, theo dõi giám sát… ñã tạo cho PLC một khả năng làm
việc linh họat và hiệu quả. Có thể nói, PLC như một máy tính số cho kỹ thuật
ñiều khiển hiện ñại. Ở nước ta chủ yếu ñang sử dụng PLC của các hãng sản
xuất PLC như SIEMENS, MITSHUBISHI, LG, SCHNEIDER…Các PLC
hiện ñại ñược chế tạo ngày càng tối ưu và ñược module hóa tiện lợi cho việc
sử dụng. Hiện nay, PLC của hãng Siemens là một trong những loại PLC ñược
sử dụng phổ biến tại Việt Nam. Các PLC của hãng Siemens bao gồm các
dạng: Simatic 505; Simatic S5; Simatic S7, C7. Trong ñó dòng Simatic S7
ñược sử dụng nhiều nhất trong các nhà máy xí nghiệp trong nước. Các họ

PLC của dòng simatic S7 bao gồm: S7-200, S7-300, S7-400.
1.3 Hệ SIMATIC PLC S7-300
1.3.1 Khái quát về PLC S7-300
SIMATIC S7-300 là một hệ module PLC ( Modular PLC platform) ñã
ñược tối ưu hóa ñể ñạt chất lượng cao trong các quá trình tự ñộng hóa, tiết
kiệm giải pháp hệ thống trong kiến trúc ñiều khiển tập trung và phân tán. Hệ
thống ñiều khiển sử dụng hệ SIMATIC S7-300 cung cấp HTðK tự ñộng trọn
gói, bao gồm: Thiết bị ñiều khiển PLC S7, phần mềm lập trình STEP7, hệ
thống giám sát HMI trên mát tính PC sử dụng phần mềm giám sát WinCC.
Vấn ñề nghiên cứu khia thác sử dụng hệ SIMATIC S7 ñã ñược nhiều
tài liệu ñề cập. Tuy nhiên trong phạm vi ñề tài, tôi chỉ ñề cập ñến nghiên cứu
khai thác ứng dụng một số module mềm ñiều khiển quá trình ñược hỗ trợ
trong phần mềm STEP 7 ñể sử dụng ñiều khiển các thông số quá trình như
ñiều khiển áp suất, lưu lượng, nhiệt ñộ… Nhằm góp phần khai thác, sử dụng
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
9


có hiệu quả hệ SIMATIC S7-300 trong kỹ thuật ñiều khiển.

Hình 1.5 SIMATIC S7 300 của SIEMENS
Một hệ thống có thể có 1 PLC hoặc gồm nhiều PLC kết qua MPI bus


Hình 1.6 Hệ thống điều khiển có một PLC
Module PS
Module CPU Module SM Module CP
Module ñầu ra
Module ñầu vào
Tải chương trình

Cáp tải
ch
ương trình
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
10


ðối với hệ thống ñiều khiển phức tạp gồm nhiều trạm PLC kết nối với
nhau, với các thiết bị ñiều khiển, ño lượng khác qua MPI bus.

Hình 1.7 Hệ thống điều khiển phức tạp

1.3.2. Các module của PLC S7-300
ðể tăng tính sử dụng mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, hê SIMATIC S7-
300 ñược chia nhỏ thành các module. Do vậy số module ñược sử dụng nhiều
hay ít tùy thuộc vào bài toán ñiều khiển. Song bao giờ cũng phải có một
module chính là module CPU, còn lại là các module nhận và truyền tín hiệu
với các ñôi tượng ñiều khiển, các module chuyên dụng như PID, ñiều khiển
ñộng cơ bước…chúng ñược gọi là các module mở rộng. Tất các các module
ñược gắn trên các thanh ray (rack).
- Module CPU
Module CPU là module có chứa bộ vi xử lý, hệ ñiều hành, bộ nhớ, bộ
ñịnh thời, bộ ñếm, , cổng truyền thông RS485 và có thể có vài cổng vào ra số
trên module (onboard). Trong họ PLC có nhiều loại CPU khác nhau như
module CPU312, module CPU314…
Ngoài ra còn các loại module CPU với 2 cổng truyền thông trong ñó
cổng truyền thông thứ 2 có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng trong
hệ ñiều khiển phân tán.
MPI-Bus
S7-400

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
11


- Module mở rộng
Các module mở rộng ñược chia làm 5 loại chính:
(1) Module nguồn PS (Power Supply): module nguồn nuôi có 3 loại là
2A, 3A và 10A.
(2) Module cổng tín hiệu SM (Signal Module): module cổng tín hiệu
vào, ra bao gồm:
• DI (Digital Input): module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng
vào số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào loại module.
• DO (Digital Output): module mở rộng các cổng ra số. Số các
cổng ra số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào loại
module.
• DI/DO (Digital Input/Digital Output ): module mở rộng các cổng
vào/ra số. Số các cổng vào ra số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32
tùy thuộc vào loại module.
• AI (Analog Input): module mở rộng các cổng vào số tương tự, số
các cổng vào tương tự có thể là 2,4, 8 tùy thuộc vào loại module.
• AO (Analog Output): module mở rộng các cổng ra số tương tự, số
các cổng ra tương tự có thể là 2,4, 8 tùy thuộc vào loại module.
• AI/AO (Analog Input/Analog Output) module mở rộng các cổng
vào/ra số tương tự, số các cổng vào ra tương tự có thể là 4 vào 2
ra, hoặc 4 vào 4 ra tùy thuộc vào loại module.
(3) Module ghép nối IM ( Interface Module): là loại module có nhiệm vụ
kết nối các module mở rộng lại với nhau thành một khối và ñược quản lý
chung bởi module CPU.
(4) Module chức năng FM ( Function Module) Là module chức năng có
chức ñiều khiển riêng, ví dụ như module PID, module ñiều khiển ñộng cơ

bước, module ñiều khiển ñộng cơ servo, module ñiều khiển vòng kín.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
12


(5) module CP (Communication Module) là module phục vụ truyền
thông trong mạng giữa PLC với nhau hoặc PLC với máy tính [3].

Hình 1.8 Sơ đồ kết nối các module của S7-300 trên rack

1.4 Phần mềm STEP – 7
1.4.1 STEP7 ñịnh nghĩa và chức năng
STEP7 là một bộ chương trình phần mềm chuẩn sử dụng ñể ñặt cấu hình
và lập trình cho SIMATIC PLC. Nó là một phần mềm công nghiệp có các
version STEP7 Micro/ DOS, STEP7 Micro/Win cho S7-200; STEP7 cho S7-300.
Một số chức năng của STEP7 ñược liệt kê dưới ñây:
* Có thể ñược mở rộng như là một phần mềm trong công nghiệp phần
mềm SIMATIC.
* Có thể chỉnh sửa tham số cho Function Module và quá trình truyền thông.
* Dữ liệu truyền thông toàn cầu.
* ðịnh cấu hình kết nối.
1.4.2 Bộ chương trình STEP7 chuẩn (STEP7 Standard Package)
Ngôn ngữ lập trình SIMATIC và ngôn ngữ biểu diễn thống nhất trong
STEP7 chuẩn tuân theo chuẩn EN 61131-3 hay IEC 1131-3. Bộ chương trình
chuẩn chạy trên Windows 95/ 98/ 2000/ Me/ XP.
Chức năng: Bộ chương trình STEP7 chuẩn hỗ trợ nhiều chức năng trong
toàn bộ các mặt của một quá trình tạo một nhiệm vụ ñiều khiển tự ñộng.
* Thiết lập và quản lý Project.
* ðịnh cấu hình và chỉnh sửa tham số phần cứng và truyền thông.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………

13


* Quản lý biểu tượng.
* Tạo một chương trình.
* Download một chương trình cho bộ ñiều khiển.
* Chuẩn ñoán lỗi chương trình.
Ngoài ra STEP7 còn có thư viện với nhiều hàm chuẩn hữu ích, phần trợ
giúp online mạnh.
Ứng dụng trong STEP7: Bộ chương trình STEP7 chuẩn cung cấp rất
nhiều ứng dụng, ta không cần thiết phải mở từng ứng dụng riêng mà chúng tự
khởi ñộng khi ta chọn hàm thích hợp hay mở một ñối tượng. dưới ñây ta
nghiên cứu một số chức năng thường sử dụng.
Quản lý (SIMATIC Manager)

Simatic Manager quản lý toàn bộ dữ liệu thuộc về một dự án ñiều khiển
tự ñộng, bất kể dữ liệu ñó ñược thiết kế cho hệ thống ñiều khiển lập trình nào.
Những công cụ cần thiết ñể hiệu chỉnh dữ liệu ñược tự khởi ñộng bởi
SIMATIC Manager. Cửa sổ dao diện Simatic Manager như hình 1.9
Sắp xếp biểu tượng (Symbol Editor)

Với Symbol Editor ta có thể quản lý tất cả các tên biến hình thức. Những
chức năng ñược hỗ trợ trong Symbol Editor:

Hình 1.9 Giao diện màn hình Simatic Manager
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
14


- ðặt tên ký hiệu và những lời giải thích cho những biến quá trình

(vào/ra), bít nhớ và các khối.
- Sắp xếp chức năng.
- Nhập/ xuất dữ liệu từ những chương trình khác của Window.
Bảng biểu tượng (Symbol table) ñược tạo, với công cụ này sẽ có thể sử
dụng cho tất cả các công cụ khác. Bất kỳ sự thay ñổi nào về thuộc tính của
một tên hình thức (symbol) ñược tự ñộng chấp nhận bởi tất cả các công cụ
trong SIMATIC Manager. Cửa sổ dao diện như hình 1.10
Chuẩn đoán lỗi phần cứng
Chức năng này cung cấp cho ta toàn cục về tình trạng của bộ ñiều khiển
lập trình. Qua ñó sẽ giúp chúng ta phát hiện ra các module có lỗi hay không.
ðể hiển thị chi tiết lỗi trong module ta nhấp chuột kép vào nó. Phạm vi của
những thông tin này phụ thuộc vào từng module.
* Hiển thị thông tin chung về module: vesion, tên…và trạng thái của
module lỗi.
* Hiển thị lỗi module cho I/O trung tâm và DP slaves.

Hình 1.10 Giao diện chức năng chỉnh sửa tên hình thức (symbol)
chỉnh sửa symbol
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
15


* Hiển thị thông ñiệp từ bộ ñệm chuẩn ñoán (diagnostic buffer).
Với module CPU còn hiển thị thêm:
* Nguyên nhân của lỗi trong quá trình hoạt ñộng của chương trình ñang
sử dụng.
* Hiển thị trạng thái kết nối MPI và tải.
* Hiển thị ñặc trưng dữ liệu.
Ngôn ngữ lập trình.
Tùy thuộc vào PLC của từng hãng và ngôn ngữ của mỗi quốc gia khác

nhau, các nhà thiết kế ngôn ngữ lập trình cho PLC sao cho thật gần gũi, ñơn
giản, dễ nhớ. Các ngôn ngữ lập trình PLC có thể ñược xây dựng bằng nhiều
công cụ khác nhau, nhưng tất cả ñều giúp cho các nhà thiết kế hệ thống cũng
như lập trình PLC khai thác triệt ñể các tính năng. ðồng thời nâng cao hệ số
vận hành trong hệ thống.
Các loại PLC có thể có nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau ñể phục vụ
các ñối tượng khác nhau. ðối với loại PLC S7-300 có phần mềm STEP7 sử
dụng ba dạng ngôn ngữ lập trình thông dụng:
* Ngôn ngữ lập trình dạng “liệt kê lệnh” ký hiệu là STL.
* Ngôn ngữ lập trình dạng “hình thang” ký hiệu là LAD.
* Ngôn ngữ lập trình dạng “hình khối” ký hiệu FBD.
Đặt cấu hình phần cứng (Hardware Configuration)

Công cụ này dùng ñể ñặt cấu hình và chỉnh sử cho tham cố phần cứng
của một dự án tự ñộng (Project).
* ðể ñặt cấu hình cho một bộ ñiều khiển lập trình ta chọn rack từ một
catalog và sắp xếp cho module trong những slot yêu cầu trong rack.
* Trong quá trình gán tham số cho CPU ta có thể thiết lập thuộc tính khởi
ñộng và giám sát chu kỳ vòng quét.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………
16


* Trong quá trình gán tham số cho module, tất cả các tham số cần thiết
lập có thể ñược thiết lập sử dụng hộp thoại. Quá trình gán tham số cho
module ñược thực hiện tự ñộng trong quá trình khởi ñộng CPU.
* Chỉnh ñịnh tham số cho Function Module (FM) và Communication
Processors (CP) cũng ñược thực hiện trong hộp thoại Hardware Configuration
với một cách tương tự như với module. Hộp thoại Module Specific tồn tại cho
mỗi FM và CP. Hệ thống sẽ ngăn chặn những lối vào không ñúng bằng cách

chỉ ñưa ra những hộp thoại làm việc.