Thiết kế, mô hình thang máy chở người 5 tầng sử dụng plc s7 300

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
____________________________________________________

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

THIẾT KẾ MƠ HÌNH THANG MÁY CHỞ NGƯỜI
5 TẦNG SỬ DỤNG PLC S7-300

Người hướng dẫn:

ThS. LÊ VĂN CHƯƠNG

Sinh viên thực hiện: LÊ HUY ĐOÀN
MSSV:

135D5202160062

Lớp:

54K2 - KTĐK&TĐH

NGHỆ AN, 2018


MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................ iii

MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THANG MÁY ............................ 3
1.1 Giới thiệu chung ................................................................................... 3
1.1.1 Khái niệm chung về thang máy ................................................... 3
1.1.2 Phân loại thang máy ..................................................................... 5
1.2 Cấu trúc hệ thống thang máy ................................................................ 6
1.3 Yêu cầu truyền động của hệ thống thang máy ................................... 10
1.3.1 Tín hiệu hố cho hệ thống điều khiển thang máy ...................... 11
1.3.2 Chọn phương án truyền động cho thang máy ............................ 11
Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300 .................................................... 12
2.1. Lịch sử phát triển PLC ...................................................................... 12
2.2 Vai trò của PLC .................................................................................. 13
2.3 Ưu thế của việc dùng PLC trong tự động hoá .................................... 13
2.4 Phần cứng của PLC S7-300 ................................................................ 13
2.4.1 Sơ đồ cấu trúc ............................................................................ 14
2.4.2 Mở rộng vào ra cho PLC ........................................................... 21
2.4.3 Cú pháp hệ lệnh của S7-300 ...................................................... 24
2.5 Vịng qt chương trình ...................................................................... 26
2.6. Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng ......................... 26
Chương 3 THIẾT KẾ,CHẾ TẠO MƠ HÌNH THANG MÁY CHỞ NGƯỜI 5
TẦNG SỬ DỤNG PLS S7-300 ..................................................................... 29
3.1 Yêu cầu thiết kế .................................................................................. 29
3.2 Thiết kế sơ đồ điều khiển ................................................................... 30
3.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lí ..................................................................... 30
3.3.1 Bộ điều khiển ............................................................................. 30
i


3.3.2 Biến tần ...................................................................................... 30
3.3.3 Động cơ ...................................................................................... 30

3.3.4 Công tắc hành trình .................................................................... 30
3.3.5 Phím bấm ................................................................................... 31
3.4 Lập trình phần mềm điều khiển .......................................................... 31
3.4.1 Thuật tốn điều khiển ................................................................ 31
3.4.2 Bảng phân công vào ra .............................................................. 31
3.4.3 Chương trình điều khiển ............................................................ 32
3.4.4 Thử nghiệm trên phần phần mềm step 7 ................................... 39
3.5 Chế tạo, thử nghiệm ........................................................................... 40
KẾT LUẬN .................................................................................................... 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 44

ii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Hình ảnh thang máy .......................................................................... 4
Hình 1.2 Biến tần ............................................................................................. 7
Hình 1.3 Điều khiển trực tiếp mơmen .............................................................. 8
Hình 1.4 Động cơ ........................................................................................... 10
Hình 2.1 Cấu trúc của PLC. ........................................................................... 14
Hình 2.2 Sơ đồ cấ u trúc bên trong PLC ......................................................... 15
Hình 2.3 CPU 224 họ S7-300 của SIEMENS. ............................................... 16
Hình 2.4 Sơ đồ các mạch giao tiếp giữa CPU 224 AC/DC/RLY với sensor và
cơ cấu chấp hành .............................................................................. 18
Hình 2.5 Sơ đồ mạch giao tiếp giữa CPU 224/DC/DC/DC với CTHT và cơ
cấu chấp hành ................................................................................... 18
Hình 2.6 Kết nối giữa PC với S7-300 bằng cáp PC/PPI. ............................... 19
Hình 2.7 Sơ đồ chân cổng truyền thơng RS 485 ............................................ 21
Hình 2.8 Modul mở rộng của PLC ................................................................. 21
Hình 2.9. Nguyên lý trao đổi dữ liệu giữa CPU và các module mở rộng 27

Hình 3.1 Sơ điều khiển của thang máy .......................................................... 30
Hình 3.2 Sơ đồ thuật toán điều khiển ............................................................. 31

iii


MỞ ĐẦU

Ngày nay, nền kinh tế của nước ta đang trên đà phát triển mạnh mẽ đời
sống của người dân càng nâng cao. Nhu cầu sử dụng thang máy cho các tòa
nhà cao tầng để vận chuyển người và hàng hóa ngày càng tăng. Đây là cơ hội
nhưng cũng là thách thức cho các kỹ sư tự động hóa
Được sự chỉ bảo hướng dẫn nhiệt tình của thầy cơ giáo trong Viện Kỹ
thuật và Công nghệ của trường Đại học Vinh và đặc biệt là Th.S Lê Văn
Chương, em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp “Thiết kế, chế tạo mơ hình chở
người cho tồn nhà 5 tầng sử dụng PLC S7-300” đúng thời hạn.
Đồ án tốt nghiệp gồm 3 chương:
- Chương 1. Tổng quan về hệ thống thang máy
- Chương 2. Tổng quan về PLC S7-300
- Chương 3. Thiết kế chế tạo mơ hình thang máy chở người 5 tầng sử
dụng PLC S7-300
Do thời gian làm đồ án có hạn và trình độ cịn hạn chế nên khơng tránh
khỏi thiếu sót. Em rất mong được sự đóng góp của thầy cô và các bạn để đồ
án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nghệ An,ngày 20 tháng 5 năm 2018
Sinh viên thực hiện
Lê Huy Đoàn

1

TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án nghiên cứu thiết kế mơ hình thang máy cho tịa nhà 5 tầng sử dụng
PLC đáp ứng nhu cầu cần thiết cho việc vận chuyển người và hàng hóa ở các
khu nhà cao tầng . Hệ thống ổn định và tương đối chính xác và có nhiều ứng
dụng trong thực tế.

ABSTRACT
The research design project of elevator model for 5-storey building using PLC
to meet the need for transportation of people and goods in high buildings. The
system is stable and relatively accurate and has many practical applications.

2


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THANG MÁY
1.1 Giới thiệu chung
1.1.1 Khái niệm chung về thang máy
Thang máy là một thiết bị chuyên dùng để vận chuyển người, hàng hoá,
vật liệu v.v.. theo phương thẳng đứng hoặc nghiêng một góc nhỏ hơn 15 0 so
với phương thẳng đứng theo một tuyến đã định sẵn.
Thang máy thường được dùng trong các khách sạn, công sở, chung cư,
bệnh viện, các đài quan sát, tháp truyền hình, trong các nhà máy, cơng xưởng
v.v.. Đặc điểm vận chuyển bằng thang máy so với các phương tiện vận
chuyển khác là thời gian của một chu kỳ vận chuyển bé, tần suất vận chuyển
lớn, đóng mở máy liên tục. Ngoài ý nghĩa vận chuyển, thang máy còn là một
trong những yếu tố làm tăng vẻ đẹp và tiện nghi của cơng trình.
Nhiều quốc gia trên thế giới đã quy định, đối với các nhà cao 6 tầng trở

lên đều phải được trang bị thang máy để đảm bảo cho người đi lại thuận tiện,
tiết kiệm thời gian và tăng năng suất lao động. Giá thành của thang máy trang
bị cho cơng trình so với tổng giá thành của cơng trình chiếm khoảng 6% đến
7% là hợp lý. Đối với những cơng trình đặc biệt như bệnh viện, nhà máy,
khách sạn v.v.. tuy nhiên số tầng nhỏ hơn 6 nhưng do yêu cầu phục vụ vẫn
phải được trang bị thang máy.
Với các nhà nhiều tầng có chiều cao lớn thì việc trang bị thang máy là
bắt buộc để phục vụ việc đi lại trong nhà. Nếu vấn đề vận chuyển người trong
những tồ nhà này khơng được giải quyết thì các dự án xây dựng các tồ nhà
cao tầng không thành hiện thực.
Thang máy là một thiết bị vận chuyển địi hỏi tính an tồn nghiêm ngặt, nó
liên quan trực tiếp đến tài sản và tính mạng con người. Vì vậy, yêu cầu chung
đối với thang máy khi thiết kế, chế tạo, lắp đặt, vận hành, sử dụng và sửa

3


chữa là phải tuân thủ một cách nghiêm ngặt các yêu cầu về kỹ thuật an toàn
được quy định trong các tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm.

Hình 1.1 Hình ảnh thang máy
Thang máy chỉ có cabin đẹp, sang trọng, thơng thống, êm dịu thì chưa
đủ điều kiện để đưa vào sử dụng mà phải có đầy đủ các thiết bị an toàn, đảm
bảo độ tin cậy như: Điện chiếu sáng dự phịng khi mất điện, điện thoại nội bộ
(Interphone), chng báo, bộ hãm bảo hiểm, an toàn cabin (đối trọng), cơng
tắc an tồn của cabin, khóa an tồn cửa tầng, bộ cứu hộ khi mất điện nguồn.
Việc lựa chọn thang máy không chỉ đơn thuần xem xét các vấn đề về
kỹ thuật mà còn phải xem xét về vấn đề kinh tế. Tất nhiên là thang máy có tải
định mức lớn, tốc độ định mức cao, hệ điều khiển càng hiện đại thì càng tạo
điều kiện thuận lợi cho con người khi sử dụng, có thể rút ngắn thời gian chờ

4


đợi, tuy vậy nó lại địi hỏi vốn đầu tư lớn hơn, diện tích chiếm chổ lớn hơn,
đồng thời tăng chi phí xây dựng… Như vậy điều kiện thuận lợi cho khách
hàng tỷ lệ nghịch với vốn đầu tư. Quá trình lựa chọn thang máy là quá trình
xác định số thang, tính năng kỹ thuật của thang (tải, tốc độ định mức, phương
pháp điều khiển...), các kích thước cơ bản của thang và vị trí đặt thang phù
hợp với đặc điểm và mục đích sử dụng của tịa nhà với vốn đầu tư chấp nhận
được.
1.1.2 Phân loại thang máy
Thang máy hiện nay đã được thiết kế và chế tạo rất đa dạng, với nhiều
kiểu và nhiều loại khác nhau để phù hợp với mục đích sử dụng của từng loại
cơng trình. Có thể phân loại thang máy theo các ngun tắc và đặc điểm sau:
1.1.2.1 Phân loại theo chức năng
• Thang máy chở người: (Gia tốc được cho phép tùy theo cảm giác
của hành khách a<2m/ s2).
- Thang máy chở người trong các nhà cao tầng: Có tốc độ chậm hoặc
trung bình, địi hỏi vận hành êm, u cầu an tồn cao và có tính mỹ thuật.
- Thang máy dùng trong các bệnh viện: Đảm bảo tuyệt đối an toàn, tối
ưu về tốc độ di chuyển và có tính ưu tiên đáp ứng đúng các yêu cầu của bệnh
viện.
- Thang máy dùng trong các hầm mỏ, xí nghiệp: Đáp ứng được các
điều kiện làm việc nặng nề trong công nghiệp như tác động môi trường về độ
ẩm, nhiệt độ, thời gian làm việc, ăn mịn...
• Thang máy chở hàng:
- Được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp, ngồi ra nó cịn được dùng
trong nhà ăn, thư viện... Loại này có địi hỏi cao về việc dừng chính xác cabin
để đảm bảo hàng hoá lên xuống dễ dàng, tăng năng suất lao động.
1.1.2.2 Phân loại theo tốc độ di chuyển

• Thang máy tốc độ thấp v = 0,5 m/s:

5


- Hệ truyền động cabin thường sử dụng động cơ khơng đồng bộ roto
lồng sóc hoặc dây quấn, u cầu về dừng chính xác khơng cao.
• Thang máy tốc độ trung bình v = (0,75  1,5) m/s:
- Thường sử dụng trong các nhà cao tầng, hệ truyền động cabin là
truyền động một chiều.
• Thang máy tốc độ cao v = (2,5 5) m/s:
- Sử dụng hệ truyền động một chiều hoặc truyền động bộ biến tần động cơ xoay chiều ba pha, hệ thống điều khiển sử dụng các phần tử cảm biến
phi tiếp điểm, các phần tử điều khiển lơgic, các vi mạch loại lớn lập trình
được hoặc các bộ vi xử lý.
1.1.2.3 Phân loại theo trọng tải
• Thang máy loại nhỏ

Q < 500kG.

• Thang máy trung bình Q = 500  2000kG.
• Thang máy loại lớn

Q > 2000 kG.

1.1.2.4 Phân loại theo vị trí đặt bộ kéo tời
• Thang máy có bộ kéo tời đặt ở trên giếng thang.
• Thang máy có bộ kéo tời đặt ở dưới giếng thang.
1.2 Cấu trúc hệ thống thang máy
Thang máy có nhiều kiểu,nhiều dạng nhưng nhìn chung chúng đều có
các bộ phận sau:

- Cabin: là thiết bị đê vận chuyển người hay hàng hóa
- Đối trọng: Là bộ phận giữ vai trò thăng bằng với cabin, di chuyển
truyền lực để cabin và đối trọng hoạt động.
- Cáp nâng: Là hệ thống truyền lực từ cabin và đối trọng
- Mạch động lực, mạch điều khiển: Có vai trị quan trọng trong hệ
thống điều khiển thang máy. Chúng là trung tâm cảu hệ thống
1.2.2.1. Các tín hiệu hiển thị
Dùng led 7 đoạn hiển thị vị trí của cabin, Khi cabin ở tầng nào thì led 7
đoạn sẽ hiển thị vị trí tương ứng

6


1.2.2.2 Các tín hiệu điều khiển
Thang máy được điều khiển ở 2 cấp độ tự động và bằng tay
- Ở chế độ tự động:
+ Ở mỗi tầng có một nút nhấn: Yêu cầu gọi tầng
+ Ở bảng điều khiển có nút nhấn RUN (nút nhấn cưỡng bức)
- Ở chế độ bằng tay:
+ Ở bảng điều khiển có chế độ bằng tay:5 nút nhấn điều khiển tương
ứng vói các tâng 1, 2, 3, 4, 5 và nút nhấn RUN cưỡng bức
1.2.2.3. Hệ thống sử dụng bộ biến tần - động cơ khơng đồng bộrotor
lồng sóc:
Trên thị trường hiện nay tồn tại rất nhiều loại biến tần sử dụng các
phương pháp điều chỉnh tần số theo các phương thức khác nhau, chủ yếu là 2
kiểu:
Biến tần điều chỉnh theo phương pháp U/f.
Biến tần điều chỉnh từ thông (FCC - Flux Current Control).
Biến tần điều chỉnh từ thông (FCC - Flux Current Control) lại sử dụng
nhiều phương pháp, trong đó phương pháp được coi là tiên tiến hiện nay là

thực hiện điều chỉnh trực tiếp mômen.
1. Biến tần thực hiện điều chỉnh trực tiếp mơmen

Hình 1.2 Biến tần
7


Nội dung phương pháp:
Điều chỉnh trực tiếp mômen động cơ khơng đồng bộ là phương pháp rất
mới, trong đó việc phối hợp điều khiển bộ biến tần và động cơ không đồng bộ
là rất chặt chẽ. Lôgic chuyển mạch của biến tần dựa trên trạng thái điện từ của
động cơ mà không cần đến điều chế độ rộng xung áp của biến tần. Do sử
dụng công nghệ bán dẫn tiên tiến và các phần tử tính tốn có tốc độ cao mà
phương pháp điều chỉnh trực tiếp mômen cho các đáp ứng đầu ra thay đổi rất
nhanh, cỡ vài phần nghìn giây.
Phần cốt lõi của phương pháp được mơ tả trên hình 1.14, gồm các khối
như sau: bộ điều chỉnh có trễ với lơgic chuyển mạch tối ưu, mơ hình động cơ
cho phép tính tốn nhanh và chính xác các giá trị thực của mômen, tốc độ
quay của rotor và từ thơng stator với tín hiệu vào là dịng điện các pha động
cơ và giá trị tức thời của điện áp mạch một chiều. Các giá trị thực này được so
sánh với các giá trị đặt để tạo ra tác động điều khiển bởi các bộ điều chỉnh
mômen và các mạch vịng bên ngồi.
U lưới 
cơng nghiệp
Mđ

Điều khiển
,M có trễ

Mđ

e

Bit 

ASIC

=
BT

Bit đk

Mđ



Bit M



Logic
chuyển
mach tối
ưu
Mơ hình động
cơ
Tính các đại
lượng
Nhận dạng
•

Ui
S1,S2,S3
Is

ơng số

ĐC
Hình 1.3 Điều khiển trực tiếp mômen
8


Logic chuyển mạch tối ưu cho nghịch lưu sẽ được xác định trong từng
chu kỳ điều khiển (25s) và được thực hiện bởi các mạch điện tử chuyên
dụng (ASIC). Thông tin về trạng thái của các khoá bán dẫn lực (S1, S2, S3)
được dùng để tính vector điện áp stator.
Điều khiển trực tiếp mômen dựa trên lý thuyết điều khiển trường định
hướng máy điện khơng đồng bộ, trong đó các đại lượng điện từ được mô tả
bởi các vector từ thơng, vector dịng điện và vector điện áp được biểu diễn
trong hệ toạ độ stator.
Mơmen điện từ là tích vector từ thông stator và vector từ thông rôtor
hoặc giữa vector dịng điện stator và vector từ thơng:
⎯⎯→

⎯⎯→

1− 
M=p
 ^ r
Lm r

,

Biên độ vector từ thông stator thường được giữ không đổi và do đó
mơmen được điều chỉnh bởi góc  giữa các vector từ thơng. Các động cơ bình
thường có hằng số thời gian điện từ của mạch rotor cỡ hàng trăm miligiây,
như vậy có thể coi từ thơng rotor là ổn định và biến đổi chậm hơn từ thông
stator. Vì thế có thể đạt được mơmen u cầu bằng cách quay từ thông stator
theo hướng nào càng nhanh càng có hiệu quả.
Kỹ thuật điều khiển trực tiếp mơmen như sau:
Logic chuyển mạch của các khoá bán dẫn lực thực hiện việc tăng hay
giảm mơmen cịn giá trị tức thời của từ thông stator được điều chỉnh sao cho
mômen động cơ đạt được giá trị mong muốn. Vector từ thông stator này lại
được điều chỉnh nhờ điện áp cung cấp cho nghịch lưu. Hay nói cách khác là
logic chuyển mạch tối ưu xác định cho ta vector điện áp tối ưu tuỳ thuộc vào
sai lệch mômen. Biên độ của vector từ thơng stator cũng được tính đến khi
chọn logic chuyển mạch.
9


2. Mơ hình động cơ

Hình 1.4 Động cơ
Mơ hình động cơ thành lập theo các mơ hình cơ bản mơ tả tốn học
động cơ khơng đồng bộ và sử dụng các phần tử tính tốn có tốc độ cao. Mơ
hình động cơ tính tốn ra các giá trị thực của mơmen và từ thơng dùng cho
việc điều chế, nó cũng tính ra được tốc độ quay của rơtor và tần số dòng stator
để dùng cho các mạch vòng điều chỉnh bên ngồi. Mơ hình động cơ cịn có
chức năng nhận dạng thơng số của động cơ dùng cho việc tính tốn, hiệu
chỉnh. Độ chính xác của mơ hình là rất quan trọng, bởi vì trong hệ thống
khơng dùng thiết bị đo tốc độ trục động cơ, tín hiệu đo lường chỉ gồm dòng

điện 2 pha của động cơ và giá trị tức thời của điện áp mạch một chiều.
1.3 Yêu cầu truyền động của hệ thống thang máy
Qua các phân tích ở trên và dựa vào u cầu cơng nghệ đặt ra, đồng
thời căn cứ vào số tầng phục vụ mà lựa chọn hệ thống truyền động tối ưu
sao cho thoả mãn được một cách hài hoà nhất giữa các chỉ tiêu về kinh tế
và kỹ thuật.
Do tính chất của phụ tải trong truyền động thang máy yêu cầu có khả
năng đảo chiều với tải thế năng. Hơn nữa đối với tồ nhà cao 4 tầng thì khơng
u cầu thang máy phải có tốc độ cao lắm. Vì vậy trong bản đồ án này ta sử
dụng hệ thống Bộ biến tần - Động cơ khơng đồng bộ rơtor lồng sóc, làm
phương án truyền động cho thang máy.
10


1.3.1 Tín hiệu hố cho hệ thống điều khiển thang máy
Để việc điều khiển vận hành thang máy diễn ra chính xác thì các tín
hiệu đưa về phải đảm bảo phản ánh được chính xác tình trạng hệ thống. Căn
cứ vào các tín hiệu này, hệ điều khiển sẽ xử lý và đưa ra các tín hiệu điều
khiển các cơ cấu chấp hành trong hệ thống. Các tín hiệu này được mơ tả như
sau:
- Để ghi nhận mọi tín hiệu gọi thang cũng như các tín hiệu yêu cầu đến
tầng, người ta bố trí các các nút ấn gọi thang ở các tầng và các nút ấn đến tầng
được bố trí trong Cabin. Trừ tầng thượng chỉ có nút gọi xuống và tầng 1 chỉ
có nút gọi lên. Trong Cabin nút ấn đến tầng, đóng mở cửa nhanh, báo động...
được bố trí vào một bảng điều khiển. Tuỳ theo hệ điều khiển, các cơng tắc
này có thể là thường đóng hoặc thường mở. Khi bị tác động chúng sẽ đóng cắt
mạch điện, từ đó tác động về hệ điều khiển.
- Để thông tin cho người sử dụng biết trạng thái hoạt động của thang
người ta sử dụng các mạch hiển thị. Đó có thể đơn giản là các đèn LED hay
các mạch hiển thị... được bố trí ở các tầng cũng như trong Cabin nhằm hiển

thị vị trí hiện tại của thang, chiều chuyển động lên hay xuống, trạng thái của
các nút ấn, thứ tự ưu tiên...
- Để xác định vị trí hiện tại của thang, chúng em sử dụng các CTHT
báo vị trí tiếp điểm. CTHT được gắn dọc theo chiều chuyển động của thang,
và được gắn với cabin đóng cửa
1.3.2 Chọn phương án truyền động cho thang máy
Dựa vào yêu cầu công nghệ đặt ra và căn cứ vào những phân tích các
phương án ở trên ta chọn phương án truyền động cho thang máy trong đồ án
này là: Sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha điều khiển bằng PLC ghép nối
qua biến tần. Vì hệ thống này có nhiều ưu điểm, đáp ứng các yêu cầu về vận
tốc, gia tốc, độ giật, hãm dừng chính xác...

11


Chương 2
TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300
2.1. Lịch sử phát triển PLC
- Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được
sáng tạo ra từ ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General
Motors vào năm 1968 nhằm thay thế những mạch điều khiển bằng Rơle và
thiết bị điều khiển rời rạc cồng kềnh.
- Đến giữa thập niên 70, công nghệ PLC nổi bật nhất là điều khiển tuần
tự theo chu kỳ và theo bít trên nền tảng của CPU. Thiết bị AMD 2901 và
AMD 2903 trở nên ngày càng phổ biến. Lúc này phần cứng cũng phát triển:
bộ nhớ lớn hơn, số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn, nhiều loại module chuyên
dụng hơn. Vào năm 1976, PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra ở xa
bằng kỹ thuật truyền thông, khoảng 200 mét.
- Đến thập niên 80, bằng sự nỗ lực chuẩn hoá hệ giao tiếp với giao diện
tự động hoá, hãng General Motors cho ra đời loại PLC có kích thước giảm, có

thể lập trình bằng biểu tượng trên máy tính cá nhân thay vì thiết bị lập trình
đầu cuối chuyên dụng hay lập trình bằng tay.
- Đến thập niên 90, những giao diện phần mềm mới có cấu trúc lệnh
giảm và cấu trúc của những giao diện được cung cấp từ thập niên 80 đã được
đổi mới.
- Cho đến nay những loại PLC có thể lập trình bằng ngơn ngữ cấu trúc
lệnh (STL), sơ đồ hình thang (LAD), sơ đồ khối (FBD).
- Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như: Siemens, AllenBradley, General Motors, Omron, Mitsubishi, Festo, LG, GE Fanuc,
Modicon…
- PLC của Siemens gồm có các họ: Simatic S5, Simatic S7, Simatic
S500/505. Mỗi họ PLC có nhiều phiên bản khác nhau, chẳng hạn như:
Simatic S7 có S7-200, S7-300, S7-400… Trong đó mỗi loại S7 có nhiều loại
12


CPU khác nhau như S7-300 có CPU 312, CPU 314, CPU 316, CPU 315-2DP,
CPU 614…
2.2 Vai trò của PLC
Trong hệ thống điều khiển tự động hoá PLC được xem như một trái
tim, với chương trình ứng dụng được lưu trong bộ nhớ của PLC. Nó điều
khiển trạng thái của hệ thống thơng qua tín hiệu phản hồi ở đầu vào, dựa trên
nền tảng của chương trình logic để quyết định q trình hoạt động và xuất tín
hiệu đến các thiết bị đầu ra.
PLC có thể hoạt động độc lập hoặc có thể kết nối với nhau và với máy
tính chủ thông qua mạng truyền thông để điều khiển một quá trình phức tạp.
2.3 Ưu thế của việc dùng PLC trong tự động hoá
Thời gian lắp đặt ngắn.
Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển mà khơng gây tổn thất.
Thời gian huấn luyện sử dụng ngắn, bảo trì dễ dàng.
Độ tin cậy cao, chuẩn hố được phần cứng điều khiển. Thích ứng trong

các môi trường khắc nghiệt như: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện áp thay đổi,…
2.4 Phần cứng của PLC S7-300
- PLC S7-300 được thiết kế theo kiểu module. Các module này sử dụng
cho nhiều ứng dụng khác nhau. Việc xây dựng PLC theo cấu trúc module rất
thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mở rộng
hệ thống. Số các module được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng ứng dụng,
song tối thiểu bao giờ cũng có một module chính là module CPU. Các module
còn lại là những module truyền và nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển bên
ngồi, các module chức năng chuyên dụng… Chúng được gọi chung là các
module mở rộng.
Các module mở rộng gồm có:
Module nguồn (PS).
Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra (SM), gồm có: DI, DO, DI/DO,
AI, AO, AI/AO.
13


Module ghép nối (IM).
Module chức năng điều khiển riêng (FM).
Module phục vụ truyền thông (CP).
- Rõ ràng so với hệ thống điều khiển dùng Rơle thì hệ thống điều khiển
dùng PLC có ưu thế tuyệt đối về khả năng linh động, mềm dẻo, và hiệu quả
giải quyết bài toán cao.
PLC, viết tắt của Programmaable Logic Control, là thiết bị điều khiển
logic lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển
thơng qua ngơn ngữ lập trình.
S7-300 là thiết bị điều khiển khả trình loại nhỏ của hãng siemens có
cấu trúc theo kiểu modul và có các modul mở rộng. Các modul này được sử
dụng cho nhiều những ứng dụng lập trình khác nhau.
2.4.1 Sơ đồ cấu trúc

Bộ nhớ chương trình

Timer

Bộ đệm
vào/ ra

Khối vi xử lý
trung tâm và hệ
điều hành

Bộ đếm

Bit cờ

Cổng vào ra onboard
Quản lý ghép nối
Cổng ngắt và đếm tốc độ cao
Bus của PLC

Hình 2.1 Cấu trúc của PLC.
Cấu trúc PLC S7-300 gồm 3 phần chính:
- Bộ xử lý trung tâm (CPU).
- Bộ nhớ (Memory Area).
14


- Bộ vào và ra (Input Area và Output Area).
Bus địa chỉ

Bắ t
đầ u
Bus điều khiển

Bộ nhớ
chương
trình
EPPROM
tùy chọn

Bơ ̣ nhớ
chương
trình
EPROM

Bơ ̣
đê ̣m

Nguồ n
pin

CPU
Bộ vi
xử lý

Bộ
nhớ hệ
thống
ROM

Clock

Bộ nhớ
dữ liệu
RAM

Khối
vào ra

Bus dữ liệu

Bô ̣
đê ̣m

Bus hệ thống (vào/ra)

Bộ đệm

Ma ̣ch chố t

Bộ lọc

Ma ̣ch giao tiế p

Pannel lập trình

Mạch cách ly

Hình 2.2 Sơ đồ cấ u trúc bên trong PLC

❖ Bộ xử lý trung tâm (CPU)
Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi xử lý CPU 212 hoặc CPU 214
v.v...
• CPU 224
CPU 224 bao gồm:
- 4096 từ đơn thuộc vùng nhớ chương trình (vùng nhớ có giao diện với
EEPROM) và khơng bị mất dữ liệu nhờ có giao diện với EEPROM, 2560 từ
đơn thuộc vùng nhớ dữ liệu (vùng nhớ có giao diện với EEPROM).
15


Hình 2.3 CPU 224 họ S7-300 của SIEMENS.
- 14 cổng vào (I0.0 đến I0.7 và I1.0 đến I1.5) và 10 cổng ra (Q0.0 đến
Q0.7 và Q1.0 đến Q1.1) số.
- 32 cổng vào và 32 cổng ra tương tự.
- Cho phép mở rộng 7 modul.
- 6 bộ đếm tốc độ cao: 6 đối với 30kHZ, 4 đối với 20kHZ.
- Ngõ ra xung: 2 tại 20kHZ (chỉ ngõ ra một chiều)
- 256 bộ timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: T0 đến
255, trong đó có: 2 timer có độ phân giải 1mms, 8 timer có độ phân giải
10mms, 53 timer có độ phân giải 10mms, 180 timer có độ phân giải 100mms
loại TON/TOF.

16


- 256 bộ counter.
- Tồn bộ vùng nhớ khơng bị mất dữ liệu trong khoảng 190 giờ khi
PLC bị mất nguồn nuôi.
- Cổng truyền thông nối tiếp RS-485.

Hệ thống các đèn báo trên CPU 224:
- I/O LED: đèn ở cổng/vào ra chỉ trạng thái tức thời của cổng I/O. Đèn
này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.
- Đèn RUN: đèn RUN sáng chỉ định rằng PLC đang ở chế độ làm việc
và thực hiện chương trình được nạp vào trong máy.
- Đèn STOP: đèn STOP sáng chỉ định PLC đang ở chế độ dừng. Dừng
chương trình đang thực hiện lại.
- RUN cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ. PLC S7300 sẽ rời khỏi chế độ Run và chuyển sang chế độ Stop nếu trong máy có sự
cố hoặc trong chương trình có lệnh Stop, thậm chí ngay cả khi cơng tắc ở chế
độ Run.
- TERM cho phép máy lập trình tự quyết định một trong chế độ làm
việc cho PLC hoặc ở RUN hoặc ở STOP.
- STEP 7 - Micro/Win cho phép ta thay đổi nóng chế độ hoạt động của
S7-300. Thay đổi bằng phần mềm cũng có thể thay đổi chế độ hoạt động của
S7-300, ta phải điều chỉnh bằng tay công tắc trên S7-300 hoặc ở chế độ
TERM hoặc RUN. Vào menu PLC > STOP hoặc PCL > RUN hoặc kết hợp
những nút trên thanh công cụ để thay đổi chế độ hoạt động.
Sơ đồ giao mạch giao tiếp giữa CPU 224 AC/DC/RLY (CPU 224
DC/DC/DC) với sensor và cơ cấu chấp hành:

17


Hình 2.4 Sơ đồ các mạch giao tiếp giữa CPU 224 AC/DC/RLY
với sensor và cơ cấu chấp hành
CPU 224 DC/DC/Relay
(6ES7 214-1AD23-0XB0

24 VDC Power

24 VDC Sensor
Power output

Hình 2.5 Sơ đồ mạch giao tiếp giữa CPU 224/DC/DC/DC
với CTHT và cơ cấu chấp hành
Cổng truyền thơng nối tiếp RS-485 với phích nối 9 chân để phục vụ
cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc các trạm PLC khác. Tốc độ
truyền cho máy lập trình kiểu PPI là 9600 baud. Tốc độ truyền cung cấp của
PLC theo kiểu tự do là 300 đến 38400.

18


Programming
Device

S7-200

PC/PPI cable

Hình 2.6 Kết nối giữa PC với S7-300 bằng cáp PC/PPI.
Pin và các nguồn nuôi:
- Nguồn nuôi dùng để ghi chương trình hoặc nạp một chương trình
mới.
- Nguồn pin có thể được sử dụng để mở rộng thời gian lưu giữ cho các
dữ liệu có trong bộ nhớ. Nguồn pin được tự động chuyển sang trạng thái tích
cực nếu như dung lượng tụ nhớ bị cạn kiệt và nó phải thay thế vào vị trí đo để
dữ liệu cho bộ nhớ không bị mất đi.
❖ Bộ nhớ.
Bộ nhớ của S7-300 được chia làm 4 vùng có nhiệm vụ duy trì dữ liệu

trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn ni. Bộ nhớ S7-300 có
tính năng động cao, đọc và ghi được trong toàn vùng loại trừ phần bit nhớ đặc
biệt ký hiệu bởi SM (Specical memory) có thể truy nhập để đọc.
Phân chia bộ nhớ gồm:
- Vùng chương trình có tác dụng lưu chương trình điều khiển (chỉ có
1chương trình)
- Vùng dữ liệu có tác dụng lưu giữ các dữ liệu trong q trình tính tốn
cũng như các kết quả trung gian. Dữ liệu có thể ghi ở dạng bit, byte, word, từ
kép tuỳ theo kiểu tín hiệu thơng qua kí hiệu địa chỉ.
- Vùng dữ liệu được chia làm nhiều vùng nhỏ:
➢ Vùng nhớ biến (variable memory): V.

19


➢ Vùng nhớ đầu vào (input image register): I.
➢ Vùng nhớ đầu ra (input image register): Q.
➢ Vùng nhớ lưu giữ (Intermal memory bits): M.
➢ Vùng nhớ đặc biệt (Spencia memory): SM.
Để truy cập vùng nhớ ta phải tuân thủ theo đúng quy ước:
- Dữ liệu kiểu bit quy ước như sau:
➢ Kí hiệu vùng nhớ + chỉ số byte + (.) + chỉ số bit.
Ví dụ: V150.4: Chỉ bits 4của byte 150 thuộc miền V.
- Dữ liệu kiểu byte quy ước như sau:
➢ Tên miền + B +địa chỉ byte trong miền.
Ví dụ: QB6, MB14
- Dữ liệu kiểu Word quy ước như sau:
➢ Tên miền + W + địa chỉ byte cao của từ trong miền.
Ví dụ: VW12 (lấy địa chỉ ở byte 12, 13).
- Muốn truy nhập 32 bit ta kí hiệu như sau:

➢ Tên miền + D + chỉ số byte cao.
Ví dụ: MD1 (lấy địa chỉ ở byte 1, 2, 3, 4)
- Vùng tham số có tác dụng chứa các kí hiệu của câu lệnh các kí hiệu
địa chỉ và các từ khố.
- Vùng đối tượng có tác dụng tạo ra các rơle thời gian, các bộ đếm, mỗi
rơle thời gian và bộ đếm có một vùng nhớ 16 bit để ghi số đếm thời gian, và 1
bit để ghi giá trị logic vì vậy số đếm trong thanh ghi tối đa là 32767.
- Ngoài ra vùng này còn chứa vùng nhớ đệm cửa vào ra tương tự, và
các thanh ghi cũng như các bộ đếm tốc độ cao và được kí hiệu các vùng theo
các chữ:
➢ Rơle thời gian:

T.

➢ Bộ nhớ:

C.

➢ Đệm cửa vào tương tự:

AIW.

➢ Vùng đệm cửa ra tương tự: AQW.
20


➢ Thanh ghi:

AC.

➢ Bộ đếm tốc độ cao:

HC.

❖ Bộ vào ra:
PLC S7- 300 bao gồm các đầu vào tín hiệu số, các đầu ngắt và các đầu
vào tương tự. Các đầu ra tín hiệu số kiểu rơ le và đầu ra tương tự.
Các cổng truyền thông:
- PLC S7-300 sử dụng cổng truyền thống nối tiếp RS485 với phích nối
9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm
PLC khác. Để ghép nối S7-300 với máy lập trình PC 702 hoặc với máy thuộc
họ PC7 xx khác có thể sử dụng một cáp nối thẳng qua cổng MPI.
- Ghép nối S7-300 với máy tính PC qua cổng RS-232 với cáp nối
PC/PPI và card chuyển đổi RS-232 /RS-485.
Chân
1
2
3
4
5
6
7
8
9

5 4 3 2 1

9 8

7 6

Chức năng
Đất
Nguồn 24 VDC
Truyền nhận dữ liệu
Không sử dụng
Đất
Nguồn 5 VDC
Nguồn 24 VDC
Truyền nhận dữ liệu
Khơng sử dụng

Hình 2.7 Sơ đồ chân cổng truyền thông RS 485
2.4.2 Mở rộng vào ra cho PLC

a) Modul mở rộng EM221

b) Modul mở rộng EM223

Hình 2.8 Modul mở rộng của PLC
21