Thiết kế hệ thống cân định lượng sử dụng PLC điều khiển

TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CƠNG TRÌNH
BỘ MƠN KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài: Thiết kế hệ thống cân định lƣợng sử dụng
PLC điều khiển

Giảng viên hướng dẫn : ThS. Trần Kim Khuê
Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Vương Anh

Mã sinh viên

: 1351082081

Lớp

: K58 - CĐT

Khóa

: 2013 - 2017

Hà Nội - 2017


ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay trong cơng nghiệp hiện đại hố đất nƣớc, yêu cầu ứng dụng tự động
hoá ngày càng cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất (yêu cầu điều khiển tự động,

linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ...). Mặt khác nhờ công nghệ thông tin, công nghệ điện tử đã
phát triển nhanh chóng làm xuất hiện một loại thiết bị điều khiển khả trình PLC. Điều
đó có thể khẳng định chiến lƣợc phát triển toàn diện về khoa học và cơng nghệ, đồng
thời từ đó có cái nhìn tổng quan hơn, bao quát hơn, hƣớng đến sự phát triển toàn diện
trong các lĩnh vực nhằm theo kịp sự phát triến của các nƣớc trong khu vực. Từ đó áp
dụng các biện pháp công nghệ, những thành quả đã đạt đƣợc ứng dụng vào trong phát
triển công nghiệp một cách hiệu quả nhất.
Đƣợc biết Việt Nam là nƣớc nông nghiệp với sản lƣợng gạo xuất khẩu lớn nhất nhì
thế giới. Thế nhƣng tất cả các khâu từ xay sát, cân, đóng bao đều làm thủ cơng. Bởi mọi
khâu đều đƣợc làm thủ cơng mơ hình chung đã kéo dài q trình cân và đóng bao gạo, chi
phí nhân cơng nhiều khiến giá thành tăng cao làm giảm cạnh tranh thị trƣờng xuất khẩu
gạo của nƣớc ta. Muốn phát triển thế mạnh xuất khẩu gạo thì trƣớc tiên cần đổi mới tƣ
duy sản xuất, thay đổi cách sản xuất thủ công sang sản xuất tự động điều khiển, giám sát
quá trình sản xuất thì hệ thống cân định lƣợng là giải pháp ƣu tiên cấp bách hàng đầu của
ngành xuất khẩu gạo hiện nay. Do vậy để khắc phục khó khăn trên, bắt kịp với nhu cầu thị
trƣờng và nâng cao kiến thức thực tế của bản thân em xin chọn đề tài “Thiết kế hệ thống
cân định lượng sử dụng PLC điều khiển ” làm khóa luận tốt nghiệp.
Bố cục đề tài gồm có 3 chƣơng:

Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống cân định lƣợng sử dụng plc điều khiển
Chƣơng 2: Nộı dung, cơ sở lý thuyết
Chƣơng 3: Thıết kế, lập trình, mơ phỏng cho hệ thống cân định lƣợng
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp do thời gian, nguồn tài liệu và trình độ cịn
hạn chế nên khơng tránh khỏi những sai sót. Kính mong nhận đƣợc chỉ dẫn và góp ý
của thầy cơ và các bạn.
Em xin trân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày……tháng…..năm 2017

SINH VIÊN THỰC HIỆN

Nguyễn Vƣơng Anh


MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƢỢNG ỨNG DỤNG
PLC ĐIỀU KHIỂN ........................................................................................................ 1
1.1 Ứng dụng của hệ thống cân định lƣợng trong và ngoài nƣớc ............................. 1
1.1.1 Ứng đụng cân định lƣợng tại nƣớc ngoài ............................................................... 1
1.1.2 Ứng dụng cân định lƣợng trong nƣớc .................................................................... 2
1.2 Ý nghĩa của việc kết hợp cân định lƣợng với PLC ............................................... 3
1.3 Mục tiêu đề tài ......................................................................................................... 3
1.4 Giới thiệu nguyên lý của hệ thống cân .................................................................. 4
CHƢƠNG 2 NỘI DUNG, CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................ 5
2.1 Lý thuyết về hệ thống cân định lƣợng ................................................................... 5
2.1.1 Khối lƣợng của một vật thể .................................................................................... 5
2.1.2 Các hình thức xác định khối lƣợng của vật ............................................................ 5
2.2 Cảm biến trọng lƣợng (Loadcell) ........................................................................... 6
2.2.1 Cấu tạo của một loadcell ........................................................................................ 6
2.2.2 Mạch cầu Wheatstone............................................................................................. 7
2.2.3 Ứng dụng loadcell vào đề tài .................................................................................. 8
2.2.4 Bộ khuếch đại loadcell chuẩn công nghiệp ............................................................ 9
2.3 Modul mở rộng Analog EM231............................................................................ 10
2.3.1 Cấu tạo .................................................................................................................. 10
2.3.2 Thông số kỹ thuật ................................................................................................. 10
2.4 Sơ lƣợc về PLC và lý do chọn PLC S7-200 vào đề tài ........................................ 12
2.4.1 Khái niệm chung về PLC ..................................................................................... 12

2.4.2 Lý do sử dụng PLC S7-200 vào trong đề tài ........................................................ 13
2.5 Giới thiệu về PLC S7-200...................................................................................... 14
2.5.1 Cấu trúc bên ngoài của PLC S7-200 .................................................................... 14
2.5.2 Phân loại PLC S7-200 .......................................................................................... 15


2.5.3 Cấu trúc bên trong của PLC S7-200 ..................................................................... 16
2.5.4 Cáp truyền thơng .................................................................................................. 18
2.5.5 Phần mềm lập trình của PLC S7-200 ................................................................... 18
2.6 Cảm biến ................................................................................................................. 22
2.7 Rơ le ........................................................................................................................ 25
2.8 Hệ thống khí nén .................................................................................................... 26
2.8.1 Động cơ khí nén ................................................................................................... 26
2.8.2 Van khí nén ........................................................................................................... 27
2.8.3 Pittong khí nén ...................................................................................................... 28
2.9 Các thiết bị sử dụng trong đề tài .......................................................................... 29
2.10 Tổng quan về phần mềm WINCC ..................................................................... 29
2.10.1 Các đặc điểm chính của phần mềm WinCC ....................................................... 29
2.10.2 Các chức năng chính của phần mềm WinCC ..................................................... 30
CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, MƠ PHỎNG CHO HỆ THỐNG CÂN
ĐỊNH LƢỢNG ............................................................................................................. 32
3.1 Bài toán điều khiển ................................................................................................ 32
3.2 Thiết kế sơ đồ cơ khí cho hệ thống....................................................................... 33
3.3 Lƣu đồ chƣơng trình điều khiển hệ thống cân định lƣợng ............................... 36
3.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cân ............................................................................... 39
3.5 Lập trình PLC S7 200 trên step7 ......................................................................... 40
3.6. Mô phỏng trên Wincc ........................................................................................... 42
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 51

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thông số Loadcell SB Mettler Teledo USA .................................................. 8
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật KM02A ............................................................................ 9
Bảng 2.3 Thông số modul Analog EM 231 và EM 235 .............................................. 11
Bảng 2.4 Bảng cấu hình modul EM 231 ..................................................................... 12
Bảng 2.5 thông số các loại CPU của PLC S7 .............................................................. 16
Bảng 2.6 Thông số cảm biến quang PZ2-41P loại PNP .............................................. 23
Bảng 2.7 Thông số cảm biến quang BYD50-DDT-T loại NPN ................................. 24
Bảng 2.8 danh mục các thiết bị sử dụng trong đề tài .................................................. 29
Bảng 3.1 bảng liên kết PLC và WINCC...................................................................... 42


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Hệ thống cân trạm chộn bê tơng ....................................................................... 1
Hình 1.2 Hệ thống cân định lƣợng sử dụng đồng thời nhiều cân .................................... 2
Hình 1.3 Hệ thống cân phân bón ..................................................................................... 2
Hình 1.4 Hệ thống cân đóng bao xi măng ....................................................................... 3
Hình 2.1 Cân bằng địn cân ............................................................................................. 5
Hình 2.2 Cấu tạo Strain gage ........................................................................................... 6
Hình 2.3 Mạch cầu Wheatstone....................................................................................... 7
Hình 2.4 Cấu tạo bên trong loadcell và nguồn cấp ......................................................... 8
Hình 2.5 Loadcell SB Mettler Teledo USA .................................................................... 8
Hình 2.6 Bộ khuếch đại loadcell MKcells KM02A ........................................................ 9
Hình 2.7 Modul Analog EM231 .................................................................................... 10
Hình 2.8 Các switch cho phép cấu hình modul EM231 ................................................ 11
Hình 2.9 Cấu trúc dữ liệu của word ngõ vào ................................................................. 12
Hình 2.10 Hình dáng bên ngồi của PLC S7-200 ......................................................... 14
Hình 2.11 Sơ đồ khối hệ thống PLC S7-200 ................................................................. 17

Hình 2.12 Cáp PC/PPI kết nối RS232 và RS485 .......................................................... 18
Hình 2.13 Cảm biến quang PZ2-41P loại PNP ............................................................. 22
Hình 2.14 Cách đấu dây cảm biến quang PZ2-41P ....................................................... 23
Hình 2.15 Cảm biến quang BYD30-DDT-T loại NPN ................................................. 24
Hình 2.16 Cách đấu dây cảm biến quang BYD30-DDT-T ........................................... 24
Hình 2.17 Rơ le............................................................................................................. 25
Hình 2.18 Rơ le OMRON 8C-24VDC và sơ đồ đấu chân của nó ................................. 25
Hình 2.19 Máy nén khí trục vít ..................................................................................... 26
Hình 2.20 Van phân phối khí nén 5/2............................................................................ 27
Hình 2.21 Van tiết lƣu ................................................................................................... 28
Hình 2.22 Xi lanh khí nén ............................................................................................. 28
Hình 3.1 Quan hệ giữa khối lƣợng và giá trị AD đọc về .............................................. 32
Hình 3.2 Bản vẽ phễu trên của hệ thống cân định lƣợng .............................................. 33
Hình 3.3 Sơ đồ phễu cân dƣới hệ thống cân định lƣợng ............................................... 34
Hình 3.4 Sơ đồ cơ khí hệ thống cân định lƣợng ............................................................ 35


Hình 3.5 Lƣu đồ chƣơng trình cân loadcell ................................................................... 37
Hình 3.6 Lƣu đồ chƣơng trình điều khiển hệ thống cân................................................ 38
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cân ........................................................................ 39
Hình 3.8 Netword 1: Khởi động hệ thống ..................................................................... 40
Hình 3.9 Netword 2: Kiểm tra đầu vào hệ thống .......................................................... 40
Hình 3.10 Netword : Xi lanh 1 đổ mức thơ ................................................................... 40
Hình 3.11 Netword 4: Tín hiệu loadcell ........................................................................ 41
Hình 3.12 Netword 5: Xi lanh 1 đóng mức tinh ............................................................ 41
Hình 3.13 Netword 6: Xi lanh 1 đóng mức tinh, xả gạo vào bao.................................. 42
Hình 3.14 Tạo project .................................................................................................... 43
Hình 3.15 Cửa sổ WinCC Explorer ............................................................................... 43
Hình 3.16 Chọn Driver kết nối ...................................................................................... 44
Hình 3.17 Tạo một tag ................................................................................................... 44

Hình 3.18 Cửa sổ Graphics Designer ............................................................................ 45
Hình 3.19 Lấy các thiết bị ............................................................................................. 45
Hình 3.20 Chọn cảm biến quang và loadcell ................................................................. 46
Hình 3.21 Chọn xi lanh ................................................................................................. 46
Hình 3.22 Chọn thùng, bao chứa ................................................................................... 47
Hình 3.23 Chọn phễu hoặc thùng .................................................................................. 47
Hình 3.24 Chọn động cơ khí nén ................................................................................... 48
Hình 3.25 Thiết kế nút ấn .............................................................................................. 48
Hình 3.26 Chỉnh sửa nút ấn ........................................................................................... 49
Hình 3.27 Kết quả mơ phỏng ........................................................................................ 49


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƢỢNG
ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN
1.1 Ứng dụng của hệ thống cân định lƣợng trong và ngoài nƣớc
1.1.1 Ứng đụng cân định lượng tại nước ngoài
Ở các nƣớc phát triển hệ thống cân định lƣợng đƣợc ứng dụng rộng rãi định
lƣợng đƣợc nhiều mặt hàng khác nhau nhƣ định lƣợng các sản phẩm loại hạt, bột, hay
dạng lỏng…
- Hê thống cân trạm chộn bê tơng

Hình 1.1 Hệ thống cân trạm chộn bê tơng

Trong hệ thống cân trạm trộn bê tông gồm 2 phễu cân:
Phễu cân xi măng:
+ Trọng tải cân: 300 ÷ 500 Kg/ 1 lần.
+ Vị trí lắp đặt: Trên miệng máy trộn.
+ Số loadcell cân: 03 cái.
+ Kiểu đóng mở: Bằng khí nén.

Phễu cân nƣớc:
+ Trọng tải cân: ≤ 350 Kg/1 lần cân.
+ Vị trí lắp đặt: Trên miệng máy trộn.
+ Số loadcell cân: 01 cái.
+ Kiểu đóng mở: Bằng khí nén.
1


- Hệ thống cân định lƣợng sử dụng đồng thời nhiều cân:

Hình 1.2 Hệ thống cân định lƣợng sử dụng đồng thời nhiều cân

1.1.2 Ứng dụng cân định lượng trong nước
- Trƣớc đây nền cơng nghiệp nƣớc ta cịn lạc hậu, sản xuất nhỏ lẻ, phần lớn hoạt
động thủ công nên các hệ thống tự động hóa cịn là một khái niệm xa lạ.
- Vài năm gần đây do thời buổi hội nhập nên nền công nghiệp nƣớc ta đang phát
triển, các nhà máy sản xuất cũng đang dần dần đổi mới cơng nghệ, các doanh nghiệp
nƣớc ngồi cũng đầu tƣ sản xuất tại nƣớc ta. Do vậy nhu câu sử dụng cân định lƣợng
của các doanh nghiệp trong, ngoài nƣớc là vơ cùng lớn.
Hệ thống cân phân bón

Hình 1.3 Hệ thống cân phân bón

2


Hệ thống cân đóng bao xi măng

Hình 1.4 Hệ thống cân đóng bao xi măng

- Tuy nhu cầu sử dụng cân định lƣợng trong nƣớc ta là vô cùng lớn nhƣng nƣớc
ta vẫn chƣa bắt kịp công nghệ để thiết kế, lắp đặt cân định lƣợng. Thế nên hầu hết các
thiết bị cân định lƣợng đều nhập khẩu từ nƣớc ngồi.
- Thời gian gần đây trong nƣớc đã có một số doanh nghiệp đã nghiên cứu lắp
đặt thành công hệ thống cân định lƣợng với chất lƣợng, độ chính xác khơng thua kém
gì thiết bị ngoại nhập nhƣ: Cơng ty Sơn Hòa, Sao Việt, Tân Phát…
1.2 Ý nghĩa của việc kết hợp cân định lƣợng với PLC
Sự kết hợp giữa cân định lƣợng và PLC có những cơng dụng nhƣ sau:
- Góp phần tiết kiệm thời gian cân sản phẩm, ngun liệu.
- Giảm bớt nhân cơng, rút gọn chi phí sản xuất, giảm giá thành sản phẩm.
- Cân sản phẩm khép kín nên giữ vệ xinh rất tốt.
- Cân định lƣợng giúp xác định khối lƣợng của sản phẩm 1 cách chính xác nhất.
Cịn PLC là thiết bị lập trình giúp điều khiển hệ thống cân hoạt động nhanh hơn, chính
xác hơn, năng xuất tăng cao.
 Sự kết hợp giữa cân định lƣợng và PLC là sự kết hợp cực kì cần thiết đối với
thời buổi tự động hóa ngày nay.
1.3 Mục tiêu đề tài
- Thiết kế, điều khiển và giám sát hệ thống cân định lƣợng trực tuyến dùng PLC.

- Thiết kế, mô phỏng, điều khiển, giám sát hệ thống cân cũng nhƣ cập nhật số
liệu một cách tự động, liên tục và chính xác.
3


- Toàn bộ trạng thái hoạt động và số liệu cân thu về đƣợc điều khiển và giám sát
trên máy tính thơng qua phần mềm ứng dụng WinCC.

- Hệ thống cân dễ vận hành, dễ sử dụng, thân thiện với ngƣời dùng. Hơn nữa hệ
thống cân cần dễ lắp đặt và tích hợp với dây truyền sẵn có.
1.4 Giới thiệu nguyên lý của hệ thống cân

- Đề tài thiết kế hệ thống cân định lƣợng ứng dụng PLC điều khiển là đề tài
mang tính ứng dụng trong sản xuất. Hệ thống gồm một phễu lớn chứa nguyên liệu ban
đầu. Nguyên liệu có thể đƣợc đƣa từ băng tải, gàu tải, hoặc dùng sức con ngƣời. Sau
đó nguyên liệu đƣợc đƣa vào một phễu nhỏ dùng để định lƣợng. Toàn bộ phễu nhỏ
đƣợc gắn trên đầu một cảm biến trọng lƣợng (loadcell). Khi đã có bao chứa, cảm biến
quang phát hiện, đèn bật sáng, nguyên liệu sau khi cân với khối lƣợng định trƣớc đƣợc
đổ vào bao. Phễu lớn dùng để chứa liệu và cấp liệu cho phễu cân nhỏ. Nguyên liệu
đƣợc đƣa vào phễu cân nhỏ gắn trên đầu loadcell. Tín hiệu ngõ ra của Loadcell đƣợc
đƣa về modul Analog EM231 sau khi đƣợc khuếch đại lên nhờ bộ khuếch đại chuẩn
cơng nghiệp MKcells. Tín hiệu này đƣợc đƣa về PLC S7-200 xử lý và hiển thị trên
màn hình HMI (đƣợc thiết kế bởi phần mềm WinCC 7.4).
- Hệ thống sử dụng phƣơng pháp tính tốn cân động để lấy khối lƣợng sản
phẩm sao cho chính xác nhất. Hệ thống sẽ đƣợc giám sát và điều khiển dựa trên phần
mềm WinCC. Các miệng phễu đƣợc đóng mở thơng qua điều khiển các xi lanh dùng
để cân thô và chỉnh tinh.
- Dựa trên khối lƣợng cần cân mà hệ thống tự động tính tốn ra hai mức cân
tƣơng ứng nhƣ trên. Ban đầu một lƣợng lớn nguyên liệu sẽ đƣợc đổ vào để cân gần với
giá trị mong muốn thì van cân thơ đóng lại. Lúc này van cân tinh sẽ tiết lƣu để đóng
chậm nhằm đƣa một ít ngun liệu nữa để đủ trọng lƣợng cần cân thì van này sẽ đóng
lại. Q trình cân kết thúc.

4


CHƢƠNG 2
NỘI DUNG, CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Lý thuyết về hệ thống cân định lƣợng
2.1.1 Khối lượng của một vật thể
- Khối lƣợng là thƣớc đo về lƣợng nhiều hay ít hay mức độ đậm đặc (loãng hay
đặc) của vật chất chứa trong vật thể. Khối lƣợng đƣợc hiểu phổ thông nhất là sức nặng

của vật trên mặt đất.
- Khối lƣợng của vật có thể đƣợc tính từ tích phân tồn bộ thể tích của vật
m   .dV

với  là khối lƣợng riêng

Đơn vị tiêu chuẩn đo khối lƣợng là kilogam (kg)
- Trọng lƣợng là một trƣờng hợp của công thức này. Dƣới tác dụng của sức hút
trái đất, vật có khối lƣợng sẽ chịu tác dụng của trọng lƣợng P=m.g (g là gia tốc trọng
trƣờng  9,8 m/s2).
- Các phƣơng pháp đo khối lƣợng là dựa vào quan hệ này. Có rất nhiều phƣơng
pháp xác định khối lƣợng của vật, từ cổ điển đến hiện đại. Tuy nhiên điều sai số là
điều khó tránh khỏi đối với các thiết bị cân khối lƣợng có cấu tạo đơn giản, thiết bị cân
điện tử sẽ khắc phục đƣợc nhƣợc điểm này.
2.1.2 Các hình thức xác định khối lượng của vật
- Cân bằng đòn cân: một khối lƣợng chƣa biết đƣợc đặt trên đĩa cân. Các quả
cân đƣợc hiệu chỉnh chính xác có kích thƣớc khác nhau đƣợc đặt trên đĩa bên kia cho
đến khi cân bằng. Khối lƣợng chƣa biết bằng tổng khối lƣợng của các quả cân đặt lên.

Hình 2.1 Cân bằng đòn cân

- Cân đồng hồ lò xo thực tế là một ứng dụng đo khối lƣợng thông qua sự dịch
chuyển dƣới tác dụng của trọng lực do vật khối lƣợng m gây ra. Khối lƣợng chƣa biết
đặt trên bàn cân trên lò xo đã đƣợc hiệu chỉnh. Lò xo di động cho đến khi lực đàn hồi
5


của lò xo cân bằng với trọng trƣờng tác động lên khối lƣợng chƣa biết. Lƣợng di động
của lò xo đƣợc dùng để đo khối lƣợng chƣa biết. Ở các cân đồng hồ chỉ thị kim, lƣợng
di động của lò xo sẽ làm kim quay thông qua một cơ cấu bánh răng với t lệ hợp l ý và

góc quay của kim sẽ xác định khối lƣợng của vật cần cân.
- Ngày nay, với tiến bộ của khoa học kỹ thuật, thì các thiết bị cân điện tử ra đời
để xác định khối lƣợng của một vật từ rất nhỏ đến khối lƣợng tƣơng đối lớn nhƣ: cân
phân tích, cân vàng, cân xe tải,... và đang đƣợc dùng rất phổ biến trong đời sống, sản
xuất.
- Để có đƣợc những bàn cân điện tử với độ chính xác cao thì các loại cảm biến
trọng lƣợng (cảm biến lực) đƣợc sử dụng với thiết bị này. Các cảm biến trọng lƣợng
dùng trong việc đo khối lƣợng đƣợc sử dụng phổ biến là loadcell. Đây là một kiểu cảm
biến lực biến dạng. Lực chƣa biết tác động vào một bộ phận đàn hồi, lƣợng di động
của bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện t lệ với lực chƣa biết.
2.2 Cảm biến trọng lƣợng (Loadcell)
2.2.1 Cấu tạo của một loadcell
- Loadcell gồm một vật chứng đàn hồi, là một khối nhôm hoặc thép không rỉ
đƣợc xử lý đặc biệt, trên vật chứng có dán 4 strain gage. Khi vật chứng bị biến dạng
dƣới tác dụng của trọng lƣợng tác động vào loadcell thì có thể có 2 hoặc 4 strain gage
bị tác động.
- Strain gage hay còn gọi là cảm biến biến dạng gồm một sợi dây dẫn có điện
trở suất (thƣờng dùng hợp kim của Niken) có chiếu dài l và có tiết diện s, đƣợc cố định
trên một phiến cách điện nhƣ hình sau:

Hình 2.2 Cấu tạo Strain gage

- Khi đo biến dạng của một bề mặt dùng Strain gage, ngƣời ta dán chặt strain
gage lên trên bề mặt cần đo sao cho khi bề mặt bị biến dạng thì strain gage cũng bị
biến dạng.
6


- Các strain gage đƣợc dùng để đo lực, đo momen xoắn của trục, đo biến dạng
bề mặt của chi tiết cơ khí, đo ứng suất,… và đƣợc dùng để lắp mạch cầu Wheatstone

để chế tạo ra các loadcell.
2.2.2 Mạch cầu Wheatstone
- Loadcell hoạt động dựa trên nguyên l‎ý cầu điện trở cân bằng Wheatstone.
Mạch cầu Wheatstone dùng để chuyển đổi sự thay đổi của điện trở (thay đổi điện trở
của các strain gage) dƣới tác dụng lực thành sự thay đổi của điện áp trên đƣờng chéo
của cầu.

Hình 2.3 Mạch cầu Wheatstone
Trong sơ đồ trên Rx  Ro  R, U  V  V , ta có:

 R  R 1 
R
U   0
 .Vcc 
.Vcc
22 R0  R 
 2 R0  R 2 

Nếu R << R0 thì biểu thức trên có thể viết lại nhƣ sau:
U 

R
.Vcc
4 R0

=>Nhận xét: Phƣơng trình trên cho thấy sự biến đổi đơn vị điện trở của hai điện
trở đối mặt nhau, hai điện trở sẽ là cộng nhau (bị giãn) trong khi tác động của hai điện
trở kề bên nhau sẽ là trừ khử nhau (bị nén). Đặc tính này của cầu Wheatstone thƣờng
đƣợc dùng để bảo đảm tính ổn định nhiệt của các mạch miếng đo và cũng để dùng cho
các thiết kế đặc biệt.

7


Hình 2.4 Cấu tạo bên trong loadcell và nguồn cấp

2.2.3 Ứng dụng loadcell vào đề tài
Qua nghiên cứu và khảo sát các loại loadcell hiện đang có trên thị trƣờng, và
vào mục đích phù hợp với đề tài thiết kế hệ thống định lƣợng nên em đã tìm hiểu và sử
dụng 2 loadcell SB Mettler Teledo USA 30KG vào đề tài, vì nó phù hợp theo thiết kế cơ
khí và chịu tải trọng.

Hình 2.5 Loadcell SB Mettler Teledo USA

Bảng thơng số kỹ thuật:
Bảng 2.1 Thông số Loadcell SB Mettler Teledo USA

Đặc tính kỹ thuật

Giá trị

Đơn vị

Tải trọng

30

kg

Mức tải tối đa

30

kg

Điện áp ngõ ra

2

mV/V

5 - 15

V DC

20

V DC

Điện trở vào

381  4

Ohms

Điện trở ra

350  1

Ohms

Điện áp kích thích
Điện áp kích thích tối đa

Dãy nhiệt độ hoạt động

-35 ~ +60

8

0

C


2.2.4 Bộ khuếch đại loadcell chuẩn cơng nghiệp

Hình 2.6 Bộ khuếch đại loadcell MKcells KM02A

- Trong thực tế và trong sản xuất công nghiệp nếu liên quan đến định lƣợng
dùng loadcell thì thiết bị thƣờng đi kèm là bộ khuếch đại chuẩn cho loadcell. Hoặc có
thể sử dụng bộ đầu cân chuẩn có tích hợp bộ khuếch đại cho loadcell, thông thƣờng
giá của bộ đầu cân rất đắt tiền, nếu có ngõ ra analog thƣờng giá rất cao, thích hợp dùng
cho công nghiệp nhƣ: đầu cân MP30, XK3190-A9, FS1200a, FS8000a,...
- Bộ khuếch đại loadcell thƣờng có 2 loại: khuếch đại cho ra dòng hoặc áp, và
loại chỉ cho ra áp nhƣ MKcells KM02, KM02A,...
- Thông số kỹ thuật bộ khuếch đại MKcells loại KM02A:
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật KM02A

Thông số

Dãy đầu vào

Giá trị
0-1mV/V, 0-2mV/V, 0-3mV/V, 0-4mV/V, 0-10mV/V, 020mV/V, 0-30mV/V, 0-40mV/V.

Dãy tín hiệu đầu ra

0-5V, 0-10V, 1-5V

Điện áp nguồn ni

12 – 24 VDC

Đ/a nuôi loadcell

10VDC, 100mA

9


2.3 Modul mở rộng Analog EM231
2.3.1 Cấu tạo

- Trong thực tế các modul analog đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong
các nhà máy có dây chuyền sản xuất hiện đại, trong công nghiệp, trong các lĩnh vực
điều khiển liên tục. Ví dụ nhƣ điều khiển biến tần, điều khiển lƣu lƣợng, nhiệt độ, áp
suất,… Trong đề tài này, em ứng dụng modul analog EM 231 vào việc đo khối lƣợng,
lấy tín hiệu khuếch đại từ loadcell, biến đổi AD và truyền dữ liệu về CPU 224 xử l‎ý
sau đó xuất kết quả lên giao diện WinCC.

Hình 2.7 Modul Analog EM231

2.3.2 Thơng số kỹ thuật

- Hãng Siemen có rất nhiều loại modul analog mở rộng cho các loại PLC. Dịng
EM 231 của S7-200 có rất nhiều loại nhƣ: EM 231 TC, EM 231 RTC, EM 231.

- Trong các loại trên thì mỗi modul đƣợc ứng dụng vào việc thiết kế riêng nhƣ
modul EM231 TC là modul chuyên dùng để đọc nhiệt độ từ thermocouple, EM231
RTC modul chuyên dùng đoc nhiệt độ từ các cảm biến mà đầu ra của nó là điện trở,
EM231 là modul đọc các tính hiệu analog có độ phân giải 12 bit.

- Thơng số kỹ thuật modul EM 231

10


Bảng 2.3 Thông số modul Analog EM 231 và EM 235

Thông số

Giá trị

Ngõ vào

4AL

Đầu vào

 80 mV

Dải đầu vào/trở kháng đầu vào:
- T/C loại

S,T,R,E,N,K,J.

- Điện áp

 80 mV

Điện áp đầu vào lớn nhất

30 VDC

Nguyên tắc đo

SIGMA + DELTA

Nhiệt độ

0.1  C / 0.1  F

Điện trở

15bit + bit dấu

Độ dài cáp lớn nhất cho cảm biến

100m

Độ dài tín hiệu biến đổi

-27648 tới +27648

Điện trở vòng cáp lớn nhất

100 

Dòng điện tiêu thụ:- Từ bus nội bộ

87mA

- Từ L+

60mA

Công suất tiêu thụ

1.8W

Kích thƣớc W x H x D

120.5 x 80 x 62

- Đối với modul analog EM231 có thể nhận tính hiệu analog là dòng hoặc áp.
Dạng dữ liệu sau khi chuyển đổi từ tính hiệu analog sang digtal từ -32000 đến +32000
hoặc từ 0 đến 32000, tất cả các thông số này có thể lựa chọn tùy thuộc vào yêu cầu của
mỗi cảm biến và ngƣời dùng muốn cài đặt.

Hình 2.8 Các switch cho phép cấu hình modul EM231

11


Hình 2.9 Cấu trúc dữ liệu của word ngõ vào

Bảng 2.4 Bảng cấu hình modul EM 231
Unipolar
SW1

Full-Scale Input

Resolution

0 to 10 V

2.5 mV

0 to 5 V

1.25 mV

OFF

0 to 20 mA

5 uA

SW2

SW3

Full-Scale Input

Resolution

OFF

ON

5V

2.5 mV

ON

OFF

 2.5 V

1.25 mV

SW2

SW3

OFF

ON

OFF
Bipolar
SW1

OFF

2.4 Sơ lƣợc về PLC và lý do chọn PLC S7-200 vào đề tài
2.4.1 Khái niệm chung về PLC
- PLC là viết tắt của Programmable Logic Control là thiết bị điều khiển Logic
lập trình hay khả trình đƣợc, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển
logic thơng qua một ngơn ngữ lập trình.
- Trong lĩnh vực tự động điều khiển, bộ điều khiển PLC là thiết bị có khả năng
lập trình đƣợc sử dụng rộng rãi. Kỹ thuật PLC đƣợc sử dụng từ những năm 60 và đƣợc
sử dụng chủ yếu để điều khiển và tự động hố q trình cơng nghệ hoặc các q trình
sản xuất trong cơng nghiệp. Đặc trƣng của PLC là sử dụng vi mạch để xử lý thông tin,
nó cũng giống nhƣ bộ vi xử lý xong việc lập trình và tốc độ thuận tiện hơn, xử lí nhanh
hơn và dễ dàng thay đổi công nghệ, cải tạo dựa trên chƣơng trình và phần mở rộng.

12


- Các nối ghép logic cần thiết trong quá trình điều khiển xử lí bằng phần mềm
do ngƣời dùng lập nên và cài vào. Cùng với lí do này nên chúng ta giải quyết các bài
toán tự động hoá một cách dễ dàng, khác nhau nhƣng cùng chung một bộ điều khiển
và chỉ thay đổi phần mềm tức là các phƣơng trình khác nhau.
* Các ƣu thế của PLC trong tự động hố:
- Thời gian lắp đặt cơng trình ngắn.
- Cần ít thời gian làm quen.
- Thiết bị chống nhiễu tốt.
- Kết nối thêm các modul để mở rộng ngõ vào/ra.

- Ngơn ngữ lập trình dễ hiểu.
- Do phần mềm linh hoạt nên khi muốn mở rộng và cải tạo cơng nghệ thì dễ
dàng.
- Ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng.
- Dễ bảo trì, các chỉ thị vào ra giúp xử lý sự cố dễ dàng và nhanh hơn.
- Độ tin cậy cao, chuẩn hoá đƣợc phần cứng điều khiển, thiết kế nhỏ gọn.
- Thích ứng với mơi trƣờng khắc nghiệt: nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động,…
2.4.2 Lý do sử dụng PLC S7-200 vào trong đề tài
- PLC S7-200 là thiết bị điều khiển logic lập trình loại nhỏ của hãng Siemens,
có cấu trúc theo kiểu module và có các mdule mở rộng. Các module này đƣợc sử dụng
cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau.
- Có từ 6 đầu vào, 4 đầu ra số (CPU221) đến 24 đầu vào, 16 đầu ra số
(CPU226). Có thể mở rộng các đầu vào, ra bằng các module mở rộng.
- Kiểu đầu vào IEC 1131-2 hoặc SIMATIC. Đầu vào sử dụng mức điện áp 24
VDC, thích hợp với các cảm biến.
- Tích hợp sẵn cổng Profibus hay sử dụng một module mở rộng, cho phép tham
gia vào mạng Profibus nhƣ một Slave thơng minh.
- Tập lệnh có đủ lệnh bit logic, so sánh, bộ đếm, dịch/quay thanh ghi, timer cho
phép lập trình điều khiển Logic dễ dàng.
- CPU S7-200 kết hợp bộ vi xử lý, bộ nguồn, mạch đầu vào và mạch đầu ra
trong một thiết kế nhỏ gọn.

13


- PLC S7-200 dùng cho các ứng dụng điều khiển logic, điều khiển tuần tự, liên
động, ... trong công nghiệp và các ứng dụng vừa và nhỏ.
- Giá thành của S7-200 rẻ hơn so với các dòng PLC khác mà vẫn đáp ứng đƣợc
những yêu cầu của hệ thống cân định lƣợng.
 Kết luận: Từ những ứng dụng, ƣu điểm trên em quyết định sử dụng PLC S7200 vào trong đề tài.

2.5 Giới thiệu về PLC S7-200
2.5.1 Cấu trúc bên ngồi của PLC S7-200
- PLC S7-200 có cấu trúc kiểu module và có nhiều module mở rộng. Các
module này đƣợc sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Thành phần cơ bản của PLC
S7-200 là khối vi xử lý CPU. S7-200 có đến 7 module mở rộng, nếu dùng cho các ứng
dụng cần đến việc tăng số ngõ vào/ra, ngõ vào/ra analog, kết nối mạng (AS–I,
Profibus).

Led ngõ ra
của PLC

Trạng
thái hoạt
động
PLC
Tùy chọn
mở rộng bộ
nhớ hoặc
RTC

Cổng mở
rộng các ngõ
vào ra PLC

Led ngõ
vào PLC

Cổng truyền
thơng nối tiếp

Hình 2.10 Hình dáng bên ngồi của PLC S7-200

CPU 224 có 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, có khả năng kết nối thêm 7 modul mở
rộng.
- Các đèn báo trên S7-200 CPU 224:
+ SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị lỗi.

14


+ RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN, chỉ PLC đang ở chế độ làm việc và thực
hiện chƣơng trình đã nạp vào máy.
+ STOP (đèn vàng): Đèn vàng STOP, chỉ PLC đang ở chế độ dừng chƣơng
trình và đang thực hiện lại.
- Đèn cổng vào ra
+ Ix.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào báo hiệu trạng thái tức thời của cổng.
Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của công tắc.
+ Qx.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng
Qx.x. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.
2.5.2 Phân loại PLC S7-200
Việc phân loại S7-200 dựa vào loại CPU mà nó đƣợc trang bị. Các loại PLC
thơng dụng nhƣ CPU 222, CPU 224, CPU 224XP (có 2 cổng giao tiếp), CPU 226 (có
2 cổng giao tiếp), CPU 226 XP.
Thơng thƣờng S7-200 đƣợc phân ra làm hai loại chính dựa vào nguồn điện áp
cấp cho CPU hoạt động.
* Loại cấp điện áp 220 VAC:
- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24 VDC (từ 15 VDC – 30 VDC).
- Ngõ ra: Relay.
- Ƣu điểm: ngõ ra là relay do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp khác
nhau.

- Nhƣợc điểm: Do ngõ ra là relay nên thời gian đáp ứng không đƣợc nhanh cho
ứng dụng biến điệu độ rộng xung hoặc output tốc độ cao.
* Loại cấp điện áp 24 VDC
- Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24 VDC (15 VDC – 30 VDC).
- Ngõ ra: Transistor.
- Ƣu điểm: ngõ ra là transistor do đó có thể sử dụng ngõ ra này để biến điệu độ
rộng xung, output tốc độ cao.
- Nhƣợc điểm: Do ngõ ra là transistor nên chỉ có thể sử dụng một cấp điện áp
duy nhất là 24 VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng có cấp điện áp ra
khác nhau. Trong trƣờng hợp này phải thông qua một relay đệm 24 VDC.
Sau đây là bảng thông số của các loại CPU của S7:
15


Bảng 2.5 thông số các loại CPU của PLC S7

Đặc điểm

CPU 221

CPU 222

CPU 224

CPU 226

Kích thƣớc (mm)

90x80x62

90x80x62

120,5x80x62

190x80x62

Bộ nhớ ROM

2048 Words

2048 Words

4096 Words

4096 Words

Bộ nhớ RAM

1024 Word

1024 Word

2056 Word

2056 Word

6

8

14

24

Số cổng logic ra

4

6

10

16

Module mở rộng

Không

2

7

7

128/128

128/128

128/128

128/128

Không

16 In/16 Out 32 In/32 Out

32 In/32 Out

Bộ đếm

256

256

256

256

Bộ định thời

256

256

256

256

0,37 s

0,37 s

0,37 s

50 giờ

50 giờ

190 giờ

190 giờ

1 – RS 485

1- RS 485

1- RS 485

2 – RS 485

Số cổng logic
vào

Digital I/O cực
đại
Analog I/O cực
đại

Tốc độ xử lý lệnh 0,37 s
Khả năng lƣu trữ

khi mất điện
Cổng giao tiếp

2.5.3 Cấu trúc bên trong của PLC S7-200
Cấu trúc phần cứng của một PLC gồm có các module sau:
- Module đơn vị xử lý trung tâm (CPU).
- Module bộ nhớ.
- Module nguồn.
- Module khối vào ra.

16


Hình 2.11 Sơ đồ khối hệ thống PLC S7-200

2.5.3.1 Module đơn vị xử lý trung tâm (CPU)
- CPU dùng để xử lý, thƣợc hiện những chức năng điều khiển phức tạp quan
trọng của PLC. Mỗi PLC thƣờng có từ một đến hai đơn vị xử lý trung tâm.
- CPU thƣờng đƣợc chia làm hai loại: đơn vị xử lý “một bit” và đơn vị xử lý “từ
ngữ”:
+ Đơn vị xử lý “một bit”: Chỉ áp dụng cho những ứng dụng nhỏ, đơn giản, chỉ
đơn thuần xử lý ON/OFF nên kết cấu đơn giản, thời gian xử lý dài.
+ Đơn vị xử lý “từ ngữ”: Có khả năng xử lý nhanh các thơng tin số, văn bản,
phép tốn, đo lƣờng đánh giá, kiểm tra nên cấu trúc phần cứng phức tạp hơn nhiều tuy
nhiên thời gian xử lý đƣợc cải thiện xử lý nhanh hơn.

2.5.3.2 Module bộ nhớ
- Module bộ nhớ bao gồm các loại bộ nhớ RAM, ROM, EEFROM, là nơi lƣu
trữ các thông tin cần xử lý trong chƣơng trình của PLC.
- Bộ nhớ đƣợc thiết kế thành dạng module để cho phép dễ dàng thích nghi với

các chức năng điều khiển với các kích cỡ khác nhau. Muốn mở rộng bộ nhớ chỉ cần
cắm thẻ nhớ vào rãnh cắm chờ sẵn trên module CPU.
- Module bộ nhớ có một tụ dùng để duy trì dữ liệu chƣơng trình khi mất điện.

2.5.3.3 Module nguồn
17


- Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24 VDC)
cần thiết cho bộ vi xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất.

2.5.3.4 Module khối vào, ra
- Module khối vào, ra dùng để giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC (điện áp
5/15VDC) với mạch công suất bên ngoài (điện áp 24VDC/220VAC).
- Khối ngõ vào thực hiện việc chuyển mức điện áp từ cao xuống mức tín hiệu
tiêu chuẩn để đƣa vào bộ xử lý.
- Khối ngõ ra thực hiện việc chuyển mức tín hiệu từ tiêu chuẩn sang tín hiệu
ngõ ra và cách ly quang.
2.5.4 Cáp truyền thông
PLC S7-200 và PC hoạt động, trao đổi dữ liệu qua cáp PC/PPI.

Hình 2.12 Cáp PC/PPI kết nối RS232 và RS485

2.5.5 Phần mềm lập trình của PLC S7-200
- STEP7 MicroWin chạy trên hệ điều hành Windows, phần mềm này làm nhiệm
vụ trung gian giữa ngƣời lặp trình và PLC. Có 3 khối lập trình chính: khối chƣơng
trình (Program Block), khối dữ liệu (Data Block) và khối hệ thống (System Block).
Ngồi ra PLC S7-200 cịn 4 khối lập trình phụ là: khối định nghĩa các ký hiệu (Symbol
table), khối xem trạng thái các biến (Status chart), khối tham chiếu (Cross Reference)
và khối truyền thông (Communication).

18