LỜI NĨI ĐẦU
Hiện nay sản phẩm cơng nghiệp đang đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế
quốc dân. Đặc biệt là những thành tựu khoa học kỹ thuật lại đang phát triển mạnh mẽ và
được áp dụng phổ biến, rộng rãi vào lĩnh vực công nghiệp. Nước ta đang trong thời kỳ
quá độ lên chủ nghĩa xã hội vì vây việc áp dụng những thành tựu khoa học của thế giới
là mục tiêu cơng nhiệp hóa và hiện đại hóa nước ta sớm đưa nước ta tiến lên chủ nghĩa
xã hội.
Là sinh viên nghành cơ điện tử, sau những năm tháng học tập tại trường Đại Học
Công Nghiệp Hà Nội - Chúng em đã nhận thức được ngành cơ điện tử là rất qua trọng
và không thể thiếu cho bất kỳ môt lĩnh vực nào, quốc gia nào.
Khi đươc giao bài tập lớn, xác định đây là công việc quan trọng để nhằm đánh giá
toàn bộ kiến thức mà mình đã tiếp thu, với đề tài “Điều khiển và giám sát nhiệt độ lò”.
Đây là một đề tài khá phổ biến nhưng là một sản phẩm của nghành điện.
Trong q trình làm việc, với trình độ cịn non trẻ về kiến thức và kinh nghiệm thực
tiễn nên chúng em khơng thể tránh được những sai sót. Do đó chúng em rất mong muốn
chỉ bảo thêm của các thầy và đóng góp của bạn bè để chúng em hồn thiện hơn.
Chúng em xin trân thành cảm ơn !

pg.

1


CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1.

Mục đích
Trong khn khổ đề tài ứng dụng PLC để đo, điều khiển và cảnh báo nhiệt độ chúng

ta cần giải quyết được những vấn đề sau:
- Tìm hiểu chung về PLC và loại PLC được sử dụng

- Tìm hiểu về các module mở rộng cho PLC được sử dụng trong đề tài
- Tìm hiểu về các loại cảm biến Alalog dùng để đo nhiệt độ và loại được sử dụng
- Xây dựng thuật toán điều khiển và chương trình điều khiển.
* Phương pháp nghiên cứu:
Do đặc thù của bài tập lớn nên việc hoàn thành sản phẩm và chạy thực tế sẽ gặp
nhiều khó khăn. Chúng em chọn phương án nghiên cứu dựa trên các tài liệu và kiến
thức trên mạng kết hợp với kiến thức học được của mơn học để hồn thiện phần lý
thuyết của bài tập lớn, kết hợp mô phỏng từng phần dựa trên phần mềm mơ phỏng trên
máy tính.
1.2.

Phương pháp đo.
Ngày nay trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ dựa trên nhiều nguyên

lý đo khác nhau; tìm được một loại cảm biến phù hợp với điều kiện và yêu cầu là một
điều không dễ dàng. Trong khuôn khổ đồ án chúng em sẽ giới thiệu sơ lược về một số
loại cảm biến đo nhiệt độ và loại cảm biến được chọn trong đồ án.
1.2.1. Đo nhiệt độ trực tiếp.
a. Cặp nhiệt điện.
Cặp nhiệt điện được chế tạo dựa trên hiệu ứng nhiệt điện. Hiệu ứng nhiệt điện, hay
hiệu ứng Peltier-Seebeck, là sự chuyển nhiệt năng trực tiếp thành điện năng và ngược
lại, trên một số kết nối giữa hai vật dẫn điện khác nhau. Kết nối này thường gọi là cặp
nhiệt điện. Cụ thể, chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên kết nối sinh ra một hiệu điện thế
giữa hai bên kết nối và ngược lại. Bằng cách đo và tính tốn hiệu điện thế này người ta
sẽ tính ra được nhiệt độ của vật cần đo.
b. Nhiệt điện trở kim loại
Điện trở vật dẫn thay đổi theo nhiệt độ:
pg.

2



Trong đó:
l : chiều dài dây dẫn [m]
A : tiết diện dây dẫn [m2]
Ρ : điện trở suất [Ωm]
Như vậy điện trở của một dây dẫn kim loại sẽ thay đổi khi nhiệt độ của nó thay đổi,
sự thay đổi này gần như là tuyến tính, người ta sẽ dung mạch điện để đo được sự thay
đổi về điện trở này, từ đó tính được sự thay đổi tương ứng về nhiệt độ vật cần đo.
1.2.2. Đo nhiệt độ gián tiếp.
a. Nhiệt kế hồng ngoại.
Nhiệt kế hồng ngọai (IRT) cơ bản gồm có 4 thành phần:
- Ống dẫn sóng (waveguide) để thu gom năng lượng phát ra từ bia (target)
- Cảm biến có tác dụng chuyển đổi năng lượng sang tín hiệu điện
- Bộ điều chỉnh độ nhạy để phối hợp phép đo của thiết bị hồng ngọai với chỉ số
bức xạ của vật thể được đo.
- Một mạch cảm biến bù nhiệt để đảm bảo sự thay đổi nhiệt độ phía bên trong thiết
bị khơng bị truyền đến ngõ ra.
Bộ phận chính của nhiệt kế hồng ngoại là bộ cảm biến nhiệt điện. Với bộ cảm biến
này năng lượng của bức xạ hồng ngoại sẽ được hấp thụ và chuyển thành tín hiệu điện.
Tín hiệu điện này sẽ hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng theo một tỉ lệ đã được qui đổi
hoặc được đổi ra tính hiệu Analog để truyền về thiết bị điều khiển (PLC, vi điều
khiển…)
Trong đề tài này chúng em chọn nghiên cứu cặp nhiệt điện để đo trực tiếp nhiệt độ
trong lị sấy.
1.3.

Tìm hiểu chung về PLC
1.3.1. Giới thiệu chung về PLC


PLC viết tắt của Programmable Logic Controlle, là thiết bị điều khiển lập trình được
(khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển logic thơng qua một
ngơn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự
pg.

3


kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào
PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm.
Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên
ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong
chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra
tại các thời điểm đã lập trình.
Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển
bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau :
- Lập trình dể dàng , ngơn ngữ lập trình dể học .
- Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản , sửa chữa.
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp .
- Hồn tồn tin cậy trog môi trường công nghiệp .
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như : máy tính, nối mạng, các mơ
Modul mở rộng.
- Giá cả có thể cạnh tranh được.
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các
Logic thời gian .Tuy nhiên, bên cạnh đó việc địi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và
tính dể dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả … Chính điều này
đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong cơng nghiệp . Các tập lệnh
nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm , định thời , thanh ghi dịch
… sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn … Sự phát triển các máy tính dẫn
đến các bộ PLC có dung lượng lớn , số lượng I / O nhiều hơn.

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều
khiển hoặc xử lý hệ thống. Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định
bởi một chương trình . Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ
thực hiện viêc điều khiển dựa vào chương trình này. Như vậy nếu muốn thay đổi hay
mở rộng chức năng của qui trình cơng nghệ , ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong
bộ nhớ của PLC . Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dể
dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay Relay .
Hiện nay với sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử đã cho phép chế tạo các
hệ vi xử lý liên tiếp, dựa trên cơ sở của bộ vi xử lý, các bộ điêu khiển logic có khả nẳng
lập trình được (PLC) đã ra đời, cho phép khắc phục được rất nhiều nhược điểm của các
hệ điều khiển liên kết cứng trước đây, việc dùng PLC đã trở nên rất phổ biến trong cơng
nghiệp tự động hố. Có thể liệt kê các ưu điểm chính của việc sử dụng PLC gồm:
- Giảm bớt việc đấu nối dây khi thiết kế hệ thống, giá trị logic của nhiệm vụ điều
khiển được thực hiện trong chương trình thay cho việc đấu nối dây.
- Tính mềm dẻo cao trong hệ thống.
- Bộ nhớ: Cổng ngắt và đếm tốc độ cao khối vi xử lý trung tâm.
- Hệ điều hành Bộ đếm vào – ra Bộ định thời Bộ đếm Bit cơ Cổng vào ra Onboard
Quản lý ghép nối Bus của PLC - Bộ nhớ vào ra:
pg. 4


+ Khối vi
xử lý
trung tâm
+ Hệ
điề u hành

Bộ đế m
vào-ra


Cổng
vào ra
Onboard

Cổng
ngắ t và
đế m tố c
độ cao

Bộ đị nh
thời
Bộ đế m
Bit cơ

Bus của PLC

Quả n lý ghép
nối

Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ PLC
1.3.2. Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC
a. Cấu trúc.
Tất cả các PLC đều có thành phần chính là : Một bộ nhớ chương trình RAM bên
trong ( có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngồi EPROM )
Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC .
Các Modul vào /ra.
Bên cạnh đó, một bộ PLC hồn chỉnh cịn đi kèm thêm mơt đơn vị lập trình bằng
tay hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa
đựng chương trình dưới dạng hồn thiện hay bổ sung . Nếu đơn vị lập trình là đơn vị
xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phịng, chỉ khi nào chương trình đã

pg.

5


được kiểm tra và sẳn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đối với các
PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hổ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra
chương trình . Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS458, …
Đối với PLC cỡ nhỏ các bộ phận thường được kết hợp thành một khối. Cũng có một
số hãng thiết kế PLC thành từng mô đun để người sử dụng có thể lựa chọn cấu hình
PLC cho phù hợp mà ít tốn kém nhất, đồng thời đáp ứng được yêu cầu ứng dụng. Một
bộ PLC có thể có nhiều mô đun nhưng thành phần cơ bản nhất của phần cứng trong bộ
PLC bao giờ cũng có các khối sau:

Sơ đồ cấu trúc phần cứng của bộ lập trình PLC
Dựa vào sơ đồ khối ta thấy PLC gồm có 4 khối chính đó là: Khối nguồn, khối vi xử
lý – bộ nhớ, khối đầu vào, khối đầu ra. Thông thường các tín hiệu xuất nhập đầu ở dạng
số (1- 0), cịn nếu tín hiệu là dạng liên tục thì ta cần gắn các khối xuất nhập ở dạng liên
tục (Analog).
* Mô đun nguồn: (Moudule)
Là khối chức năng dùng để cung cấp nguồn và ổn định điện áp cho PLC hoạt động.
Trong công nghiệp người ta thường dùng điện áp 24V một chiều. Tuy nhiên cũng có bộ
PLC sử dụng điện áp 220V xoay chiều.
* Mô đun CPU (Centrol rocessor Unit module):
Bao gồm bộ vi xử lý và bộ nhớ
* Mô đun nhập: (Input Module)
pg.

6



Tín hiệu vào: Các tín hiệu đầu vào nhận các thơng tin điều khiển bên ngồi dạng tín
hiệu Logic hoặc tín hiệu tương tự. Các tín hiệu Lơgic có thể từ các nút ấn điều khiển các
cơng tắc hành trình, tín hiệu báo động, các tín hiệu của các quy trình cơng nghệ,…Các
tín hiệu tương tự đưa vào của PLC có thể là tín hiệu điện áp từ các căn nhiệt để điều
chỉnh nhiệt độ cho một lị nào đó hoặc tín hiệu từ máy phát tốc, cảm biến.
* Mơ đun xuất (Output Module):
Trong PLC thì Module xuất cũng hết sức quan trọng khơng kém module nhập. Nó
có thể có 8 hoặc 16 ngõ ra mà trên một Module xuất, do vậy người sử dụng có thể kết
nối nhiều module lại với nhau để được số ngõ ra phù hợp. Đối với những ứng dụng nhỏ
thì cần 16 ngõ ra. Những ứng dụng lớn hơn có thể dùng tới 26 hoặc 256 ngõ ra. Cũng
giống như Module nhập thì các ngõ ra của Module xuất là các tiếp điểm của rơle, khả
năng chịu tải lớn 220V/1A. Nếu muốn khống chế phụ tải cơng suất lớn thì thơng qua
các thiết bị trung gian như: CTT. Aptomat. Triac…
b. Nguyên lý hoạt động của PLC

Chuyể n dữ liệ u từ
đầ u ra Q tới cổ ng ra

Truyề n thông và
kiể m tra bộ nhớ

Chuyể n dữ liệ u từ đầ u
cổ ng vào tới đầ u vào I

Thực hiệ n
chươ ng trình

Chu kỳ thực hiện vòng quét của CPU trong bộ PLC
Trong quá trình thực hiện chương trình CPU ln làm việc với bảng ảnh ra. Tiếp

theo của việc quét chương trình là truyền thơng nội bộ và tự kiểm tra lỗi. Vịng quét
được kết thúc bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi. Những trường
hợp cần thiết phải cập nhật module ra ngay trong quá trình thực hiện chương trình. Các
PLC hiện đại sẽ có sẵn các lệnh để thực hiện điều này. Tập lệnh của PLC chứa các lệnh
ra trực tiếp đặc biệt, lệnh này sẽ tạm thời dừng hoạt động bình thường của chương trình
để cập nhật module ra, sau đó sẽ quay lại thực hiện chương trình. Thời gian cần thiết để
PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian
vịng qt khơng cố định, tức là khơng phải vịng qt nào cũng được thực hiện trong
một khoảng thời gian như nhau. Có vịng qt được thực hiện lâu, có vịng qt được
pg.

7


thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối
lượng dữ liệu được truyền thơng trong vịng qt đó. Một vịng qt chiếm thời gian
quét ngắn thì chương trình điều khiển được thực hiện càng nhanh. Nguyên lý hoạt động
dựa trên các bộ phận sau :
Đơn vị xử lý trung tâm
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương
trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình ,
sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết
để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều
khiển được giữ trong bộ nhớ.
Hệ thống bus
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu
song song :
Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau.
Data Bus : Bus dùng để truyền dữ liệu.
Control Bus : Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển

đồng bộ các hoạt động trong PLC .
Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông
qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép
truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song.
Nếu môt modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus , nó sẽ chuyển
tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất
hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data bus.
Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC
.
Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn
chế.
Hê thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O . Bên
cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 118 MHZ. Xung này quyết
định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ
thống.
Bộ nhớ
PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp :
Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O.
Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, ghi các Relay.
pg.

8


Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong bộ
nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ .
Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử
lý. Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo . Với
một địa chỉ mới , nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đấu ra, quá trình này
được gọi là quá trình đọc .

Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bỡi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả
năng chứa 2000 ÷ 16000 dịng lệnh , tùy theo loại vi mạch. Trong PLC các bộ nhớ như
RAM, EPROM đều được sử dụng .
RAM (Random Access Memory ) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ nội
dung bất kỳ lúc nào. Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất . Để
tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khơ, có khả năng cung cấp năng
lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm. Trong thực tế RAM được dùng để
khởi tạo và kiểm tra chương trình. Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả
năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn .
EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người sử
dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ khơng ghi nội dung vào được . Nội dung của
EPROM không bị mất khi mất nguồn , nó được gắn sẵn trong máy , đã được nhà sản
xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn. Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì
chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC . Trên PG (Programer) có sẵn chổ ghi và
xóa EPROM.
Mơi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoạc đĩa mềm, được sử dụng trong máy
lập trình. Đĩa cứng hoăc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng để lưu
những chương trình lớn trong một thời gian dài .
Kích thước bộ nhớ :
Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 ÷1000 dịng lệnh tùy vào cơng nghệ chế tạo .
Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K ÷ 16K, có khả năng chứa từ 2000 ÷16000
dịng lệnh.
Ngồi ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM.
Các ngỏ vào ra I / O
Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các modul (các đầu vào của PLC),
các cơ cấu chấp hành được nối với các modul ra (các đầu ra của PLC).
Hầu hết các
PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V , tín hiêu xử lý là 12/24VDC hoặc
100/240VAC.
Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I/O

được cung cấp bỡi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra hoạt động
nhập xuất trở nên dể dàng và đơn giản.
pg.

9


Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON,OFF) để thực hiện việc đóng
hay ngắt mạch ở đầu ra.
1.3.3. Các hoạt động bên trong PLC
a. Xử lý chương trình

Khi một chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của PLC , các lệnh sẽ được trong một
vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ .
PLC có bộ đếm địa chỉ ở bên trong vi xử lý, vì vậy chương trình ở bên trong bộ nhớ
sẽ được bộ vi xử lý thực hiện một cách tuần tự từng lệnh một, từ đầu cho đến cuối
chương trình . Mỗi lần thực hiện chương trình từ đầu đến cuối được gọi là một chu kỳ
thực hiện. Thời gian thực hiện một chu kỳ tùy thuộc vào tốc độ xử lý của PLC và độ lớn
của chương trình. Một chu lỳ thực hiện bao gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau :
•
Đầu tiên, bộ xử lý đọc trạng thái của tất cả đầu vào. Phần chương trình phục vụ
cơng việc này có sẵn trong PLC và được gọi là hệ điều hành .
•
Tiếp theo, bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong chương trình. Trong
ghi đọc và xử lý các lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầu vào, thực hiện các phép
tốn logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạng thái của các đầu ra.
•
Cuối cùng, bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các modul đầu
ra.
b. Xử lý xuất nhập

Gồm hai phương pháp khác nhau dùng cho việc xử lý I / O trong PLC :
* Cập nhật liên tục
Điều nay đòi hỏi CPU quét các lệnh ngỏ vào (mà chúng xuất hiện trong chương
trình ), khoảng thời gian Delay được xây dựng bên trong để chắc chắn rằng chỉ có
những tín hiệu hợp lý mới được đọc vào trong bộ nhớ vi xử lý. Các lệnh ngỏ ra được lấy
trực tiếp tới các thiết bị. Theo hoạt động logic của chương trình , khi lệnh OUT được
thực hiện thì các ngỏ ra cài lại vào đơn vị I / O, vì thế nên chúng vẫn giữ được trạng thái
cho tới khi lần cập nhật kế tiếp.
* Chụp ảnh quá trình xuất nhập
Hầu hết các PLC loại lơn có thể có vài trăm I / O, vì thế CPU chỉ có thể xử lý
một lệnh ở một thời điểm . Trong suốt quá trình thực thi, trạng thái mỗi ngõ nhập phải
được xét đến riêng lẻ nhằm dị tìm các tác động của nó trong chương trình. Do chúng ta
u cầu relay 3ms cho mỗi ngõ vào, nên tổng thời gian cho hệ thống lấy mẫu liên tục
trở nên rất dài và tăng theo số ngõ vào.
Để làm tăng tốc độ thực thi chương trình, các ngõ I / O được cập nhật tới một
vùng đặc biệt trong chương trình. Ở đây, vùng RAM đặc biệt này được dùng như một
bộ đệm lưu trạng thái các logic điều khiển và các đơn vị I / O. Mỗi ngõ vào ra đều có
pg.

10


một địa chỉ I / O RAM này. Suốt quá trình copy tất cả các trạng thái vào trong I / O
RAM. Quá trình này xảy ra ở một chu kỳ chương trình (từ Start đến End ).
Thời gian cập nhật tất cả các ngõ vào ra phụ thuộc vào tổng số I/O được copy
tiêu biểu là vài ms. Thời gian thực thi chương trình phụ thuộc vào chiều dài chương
trình điều khiển tương ứng mỗi lệnh mất khoảng từ 1ữ 10 às.
1.3.4 Tỡm hiu s lc v PLC S7-300 của SIEMEN
S7_300: Dòng sản phẩm cao cấp ,được dùng cho những ứng dụng lớn với những
yêu cầu I/O nhiều và thời gian đáp ứng nhanh,yêu cầu kết nối mạng,và có khả năng mở

rộng cho sau này. Ngơn ngữ lập trình đa dạng cho phép người sử dụng có quyền chọn
lựa.Đặc điểm nổi bật của S7_300 đó là ngơn ngữ lập trình cung cấp những hàm tốn đa
dạng cho những u cầu chuyên biệt như : Hàm SCALE….. Hoặc ta có thể sử dụng
ngôn ngữ chuyên biệt để xây dựng hàm riêng cho ứng dụng mà ta cần. Ngồi ra S7-300
cịn xây dựng phần cứng theo cấu trúc Modul,nghĩa là đối với S7-300 sẽ có những
Modul tích hợp cho những ứng dụng đặc biệt như Modul PID,Modul Đọc xung tốc độ
cao….
* Thiết bị điều khiển Logic khả trình:
1/ PLC ( Progranable Logic Control) :
Thiết bị điều khiển Logic khả trình PLC Là loại thiết bị cho phép thực hiện linh
hoạt các thuật tốn điều khiển số thơng qua một ngơn ngữ lập trình ,thay cho việc
phải thể hiện thuật tốn đó bằng mạch số .Như vậy với chương trình điều khiển trong
mình ,PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn ,dễ thay đổi thuật tốn và đặc biệt dễ trao
đổi thơng tin với môi trường xung quanh ( với các PLC khác hoặc với máy tính).Tồn
bộ chương trình được lưu trong bộ nhớ.dưới dạng các khối chương trình (OB,FC,FB..)
và được thực hiện với chu kì qt.
Để có thể thực hiện một chương trình điều khiển.Tất nhiên PLC phải có tính
năng như một máy tính .Nghĩa là phải có một bộ vi xử lí trung tâm ( CPU),một hệ điều
hành,một bộ nhớ chương trình để lưu chương trình cũng như dữ liệu và tất nhiên phải
có các cổng vào rađể giao tiếp với các thiết bị bên ngồi..Bên cạnh đó ,nhằm phục vụ
bài tốn điều khiển số ,PLC phải có các khối hàm chức năng như Timer,Counter,và
các hàm chức năng đặc biệt khác.

pg.

11


Bộ nhớ chương trình


Bit cờ
Bộ đệm vào ra

Khối vi xử kí trung tâm và
Hệ điều hành

Bộ đếm
Timer

Quản lý ghép nối

Cổng ngắt và đếm
tốc độ cao

Cổng ra vào

2/ Các Tín hiệu kết nối với PLC:
a/Tín hiệu số: Là các tín hiệu thuộc dạng hàm Boolean, dạng tín hiệu chỉ có 2 trị 0
hoặc 1.
Đối với PLC Siemens :
Mức 0 : tương ứng với 0V hoặc hở mạch
Mức 1 : Tương ứng với 24V
Vd: Các tín hiệu từ nút nhấn ,từ các cơng tắc hành trình….. đều là những
tín hiệu số
b/ Tín hiệu tương tự : Là tín hiệu liên tục, từ 0-10V hay từ 4-20mA…. Vd: Tín
hiệu đọc từ Loadcell,từ cảm biến lưu lượng…
c/ Tín hiệu khác : Bao gồm các tín hiệu giao tiếp với máy tính ,với các thiết bị ngoại
vi khác bằng các giao thức khác nhau như giao thức RS232,RS485,Modbus….
3/ Các Modul của PLC S7_300:
Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các

đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào ra
khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế khơng bị cứng hố về cấu
hình .Chúng được chia nhỏ thành các Modul.số các Modul được sử dụng nhiều hay ít
tuỳ theo từng bài tốn ,song tối thiểu bao giờ cũng có Modul chính là Modul CPU. Các
Modul cịn lại là những Modul nhận truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển ,các
Modul chức năng chuyên dụng như PID,điều khiển động cơ….. Chúng được gọi chung
là Modul mở rộng.Tất cả các Modul được gắn trên những thanh ray ( Rack).
pg.

12


a/ Modul CPU:
Modul CPU là loại Modul chứa vi xử lí,hệ điều hành ,bộ nhớ ,các bộ thời gian, bộ đếm,
cổng truyền thơng (RS485)…. Và có thể cịn có một vài cổng vào ra số. Các cổng vào ra số
trên CPU được gọi là cổng vào ra Onboard.
Trong họ PLC S7_300 có nhiều loại CPU khác nhau : CPU 312,CPU 314 ,CPU 315….
Những Modul cùng sử dụng một loại bộ vi xử lí ,nhưng khác nhau về cổng vào ra
onboard cũng như các khối hàm đặc biệttích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành phục vụ
việc sử dụng các cổng vào ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau tong tên gọi bằng tên
cụm chữ cái IFM( viết tắt của Intergrated Function Module ).Ví dụ Module CPU 312IFM,
Modul314 IFM….
Nga ra cịn có các loại module hai cổng truyền thơng,trong đó cổng truyền thơng thứ 2
có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán .Các loại module CPU được phân
biệt với những loại CPU khác bằng thêm cụm từ DP ( Distrubited port)trong tên gọi. Ví dụ
module CPU 315-DP
b/Các Modul mở rộng:
Các Modul mở rộng được chia thành 5 loại chính:
PS(Power Supply): Modul nguồn ni
SM (Signal Module): Modul tín hiệu vào ra bao gồm:

DI (Digital Input) DO (Digital Output) DI/DO ( Digital In/Output) AI (Analog
Input) AO ( Analog Output) AI/AO ( Analog In/Output)
IM ( Interface Module) : Modul ghép nối. Đây là loại Modul chuyên dụng có
nhiệm vụ nối từng nhóm các Modul mở rộng lại với nhau thành từng một khối và
được quản lí chung bởi một module CPU. Thông thường các Modul mở rộng
được gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là Rack.
Trên mỗi một Rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 module mở rộng ( không kể
module CPU, module nguồn ni). Một module CPU có thể làm việc trực tiếp với
nhiều nhất 4 Rack, và các Rack này phải được nối với nhau bằng Module IM
IM360 :truyền
IM361:nhận.
FM ( Function Module): Các Modul điều khiển riêng,như điều khiển Servo,điều
khiển PID……
CP( Communication Module):Module truyền thơng
4/ Tín Hiệu: Thơng thường có 2 tín hiệu
Tín hiệu số: Tín hiệu mức 1 hoặc mức 0 ( true hoặc False), Vd: I0.0,Q0.0….
Tín hiệu tương tự : Là tín hiệu analog được đọc từ các Modul analog
Vd : PIW256….
5/ Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ:
a/ Kiểu Bool: True hoặc False ( 0 hoặc 1) VD: M0.0
b/ Kiểu Byte : gồm 8 Bit
c/ Kiểu Word
d/ Kiểu Int
e/ Kiểu Dint
f/ Kiểu Real
h/ Kiểu S5T:
k/ Kiểu Char
i/ Kiểu Date
j/ Kiểu Tod:


pg.

13


6/ Bộ nhớ PLC: gồm 3 vùng chính.
a/ Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình được chia thành 3 miền
- OB ( Organisation block) : miền chứa chương trình tổ chức.
- FC ( Function) : Miền chứa chương trình con ,được tổ chức thành hàm và có biến hình
thức để trao đổi dữ liệu
- FB ( Function block) : Miền chứa chương trình con ,được tổ chức thành hàmvà có khả
năng trao đổi dữ liệu với bất cứ 1 khối chương trình nào khác .Các dữ liệu này phải được
xây dựng thành một khối dữ liệu riêng ( Data Block khối DB)
b/ Vùng chứa tham số của hệ điều hành: Chia thành 7 miền khác nhau
I ( Process image input ) : Miền dữ liệu các cổng vào số,trước khi bắt đầu thực hiện
chương trình ,PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cất giữ chúng trong
vùng nhớ I.Thông thường chương trình ứng dụng khơng đọc trực tiếp trạng thái logic của
cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I.
Q ( Process Image Output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số .Kết thúc giai đoạn
thực hiện chương trình,PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số.Thông
thường chương trình khơng trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chúng tới bộ
đệm Q.
M ( Miền các biến cờ): CHương trình ứng dụng sử dụng những biến này để lưu giữ
các tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo Bit (M) ,byte (MB),từ (MW) hay từ kép
(MD).
T ( Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian ( Timer) bao gồm việc lưu trữ giá trị thời
gian đặt trước ( PV-Preset Value ),giá trị đếm thời gian tức thời ( CV –Current Value) cũng
như giá trị Logic đầu ra của bộ thời gian.
C ( Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt trước ( PVPreset Value),giá trị đếm tức thời ( CV _ Current Value)và giá trị logic đầu ra của bộ đệm.
PI : Miền địa chỉ cổng vào của các Modul tương tự ( I/O External input). Các giá trị

tương tự tại cổng vào của modul tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự động theo những
địa chỉ.Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PI theo từng Byte ( PIB),từng từ
PIW hoặc từng từ kép PID .
PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự ( I/O External Output).Các giá trị
theo những địa chỉ này sẽ được module tương tự chuyển tới các cổng ra tượng tự .Chương
trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ PQ theo từng Byte (PQB),từng từ (PQW) hoặc theo
từng từ kép (PQD).
c/ Vùng chứa các khối dữ liệu: được chia làm 2 loại:
DB(Data Block):Miền chứa dữ liệu được tổ chức thành khối .Kích thước cũng như số
lượng khối do người sử dụng quy định ,phù hợp với từng bài tốn điều khiển.Chương trình có
thể truy nhập miền này theo từng bit (DBX),byte (DBB),từ (DBW) hoặc từ kép (DBD).
L (Local data block) : Miền dữ liệu địa phương ,được các khối chương trình
OB,FC,FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình
thức với những khối chương trình gọi nó .Nội dung của một khối dữ liệu trong miền nhớ
này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB ,FC,FB.Miền này có thể được truy
nhập từ chương trình theo bit (L),byte(LB) từ (LW) hoặc từ kép (LD).
7/Các Loại CPU:
CPU 312: Bộ nhớ làm việc 16KB ,chu kì lệnh 0.1us
CPU 312C : Bộ nhớ làm việc 16KB,chu kì lệnh 0.1us,tích hợp sẵn 10DI/6DO,2
Xung tốc độ cao 2.5KHz,2 kênh đọc xung tốc độ cao 10Khz.

pg.

14


CPU 312IFM : Bộ nhớ làm việc 6KB,chu kì lệnh 0.6us,tích hợp sẵn 10DI/6DO
CPU 313 : Bộ nhớ làm việc 12KB,chu kì lệnh 0,6us
CPU 313C : Bộ nhớ làm việc 32KB,chu kì lệnh 0,1us, tích hợp sẵn 24DI, 16DO,
5AI, 2AO, 3 Kênh xuất xung tốc độ cao (2.5Khz), 3 kênh đọc xung tốc độ cao

(30Khz)
CPU 313C-2DP: Bộ nhớ làm việc 32KB,chu kì lệnh 0.1us, tích hợp sẵn
24DI, 16DO, 5AI, 2AO, 3 Kênh xuất xung tốc độ cao (2.5Khz), 3 kênh đọc xung
tốc độ cao (30Khz), có 2 cổng giao tiếp.
CPU 313C-2PtP : Bộ nhớ làm việc 32KB, chu kì lệnh 0.1us, tích hợp sẵn
24DI, 16DO, 5AI, 2AO, 3 Kênh xuất xung tốc độ cao (2.5Khz), 3 kênh đọc xung
tốc độ cao (30Khz), có 2 cổng giao tiếp.
MPI+ PtP connector (RS-422/485 (ASCII, ..)
CPU 314: Bộ nhớ làm việc 24KB ,chu kì lệnh 0.3us
CPU 314IFM : Bộ nhớ làm việc 24KB,chu kì lệnh 0.3us, tích hợp sẵn
20DI/16DO ,4AI
/ 1AO
CPU 314C-2DP:Bộ nhớ làm việc 48KB,chu kì lệnh 0.1us,tích hợp sẵn 24DI /
16DO, 5AI / 2AO , 4 kênh xuất xung tốc độ cao,4 kênh đọc xung tốc độ cao.2
cổng giao tiếp.
CPU 314C-2PtP:Bộ nhớ làm việc 48KB,chu kì lệnh 0.1us,tích hợp sẵn 24DI /
16DO, 5AI / 2AO , 4 kênh xuất xung tốc độ cao,4 kênh đọc xung tốc độ cao.2
cổng giao tiếp
CPU 315 : Bộ nhớ làm việc 48KB ,chu kì lệnh 0.3us
CPU 315-2DP: Bộ nhớ làm việc 48KB ,chu kì lệnh 0.3us , MPI + DP
CPU 315F-2DP : Bộ nhớ làm việc 128KB,chu kì lệnh 0.3us , 2 cổng giao tiếp.
CPU 316 : Bộ nhớ làm việc 128KB ,chu kì lệnh 0.3us
CPU 316-2DP: Bộ nhớ làm việc 128KB,chu kì lệnh 0.3us , 2 cổng MPI + DP
CPU 317-2: Bộ nhớ làm việc 512KB ,chu kì lệnh 0.3us,2 cổng giao tiếp MPI + DP
CPU 317F-2: Bộ nhớ làm việc 512KB,chu kì lệnh 0.3us ,2 cổng giao tiếp MPI +
DP ( DP master hoặc Slave)
CPU 318-2: Bộ nhớ làm việc 256KB ,chu kì lệnh 0.3us ,2 cổng giao tiếp MPI +
DP ( DP Master hoặc Slave).
CPU 614: Bộ nhớ làm việc 192KB,chu kì lệnh 0.3us , tích hợp sẵn 512DI/DO
CPU M7: RS232,MPI 64KB SRAM

8/ Các loại Function Module : FM300: Controller Module:
FM 355C PID Module: Module điều khiển PID ,4 kênh điều khiển PID ,4AI +
8DI+4AO
FM 355S PID Module: Module điều khiển PID ,4 kênh điều khiển PID ,4AI + 8DI
+ 8DO
FM 355 Temperature Controller: Module điều khiển nhiệt độ 4 kênh 4AI + 8DI +
4AO
FM 355 Temperature Controller: Module điều khiển nhiệt độ 4 kênh 4AI + 8DI +
8DO
M7 Application Module: 4MB,RS232,64KB Sram.
CAM Controller : FM352 CAM Module : 1 kênh điều khiển.
CNC Controller : NCU 570 FM-NC : Điều khiển CNC
Counter Module : FM350-1 Counter Module : Module đếm ở tốc độ cao 1 kênh
FM350-2 : Module đếm ở tốc độ cao 8 kênh

pg.

15


Possition Module : Module điều khiển vị trí
FM351 FIXED SPEED POS : Module điều khiển vị trí
FM353 Fstepper Motor : Module điều khiển động cơ bước 4DI + 4DO
FM354 F Servo Motor : Module điều khiển động cơ Servo 4DI + 4DO
Modul Nguồn :Có 3 loại Modul nguồn 10A,5A,2A PS 307
Modul Rack : Chọn Rack (Rail) để định dạng cho cấu hình phần cứng.
Modul SM300 : Bao gồm các loại Modul :
Modul Analog Input (AI): Modul đọc 2 kênh,đọc 8 kênh với các loại tín hiệu
khác nhau như dịng :4-20mA (theo cách đấu 2 dây và 4 dây ) ,đọc tín hiệu áp 010VDC , đọc tín hiệu RTD,TC…
Modul AI/AO : Modul vừa đọc AI ,vừa xuất tín hiệu Analog OutPut

Modul AO : Modul xuất tín hiệu Analog Output.
Modul DI : Modul đọc tín hiệu số
Modul DO: Modul xuất tín hiệu số
Modul DI/DO : Modul vừa đọc và xuất tín hiệu số
1.3.2. GIỚI THIỆU VỀ MODULE ANALOG SM331.
AI(Analog Input): module mở rộng cổng vào tương tự. Bản chất chúng là những bộ
chuyển đổi tương tự sang số(ADC). Số các cổng vào tương tự có thể là 2,4 hoặc 8 tùy từng loại
module, số bit có thể là 8,10,12,14,16 tùy theo từng loại module.
Các dạng tín hiệu đọc được như: điện áp, dòng điện, điện trở, nhiệt độ.
Với độ phân giải 12 bit.

pg.

16


Trình tự thiết lập và căn chỉnh cho module analog .
a/ Căn chỉnh đầu vào cho module analog
- Hãy tắt nguồn cung cấp cho module
- Gạt switch để chọn dải đo đầu vào
- Bật nguồn cho CPU và module. Để module ổn định trong vòng 15 phút.
- Sử dụng các bộ truyền, nguồn áp, hoặc nguồn dòng, cấp giá trị 0 đến một trong những
đầu vào.
- Đọc giá trị nhận được trong CPU.
- Căn cứ vào giá trị đó hãy chỉnh OFFSET để đưa giá trị về 0 (căn chỉnh điểm không) ,
hoặc giá trị số cần thiết kế.
- Sau đó nối một trong những đầu vào với giá trị lớn nhất của dải đo.
- Đọc giá trị nhận được trong CPU.
- Căn cứ vào giá trị đó hãy chỉnh GAIN để đọc được giá trị là 32000, hoặc giá trị số cần
thiết kế.

- Lặp lại các bước chỉnh OFFSET và GAIN nếu cần thiết.

pg.

17


Chú ý :
- Phải chắc chắn nguồn cung cấp cho cảm biến phải được loại bỏ nhiễu và phải ổn định.
- Dây dẫn tín hiệu phải có lớp bảo vệ chống nhiễu.
- Các đầu vào analog không sử dụng phải được nối ngắn mạch (ví dụ A+ nối với A-)

1.4 Tìm hiểu HMI(WinCC, OPC)
1.4.1 Tìm hiểu WinCC

WinCC (Windows Control Center) là phần mềm tích hợp giao diện người máy
IHMI (Intergrate Human Machine Interface) đầu tiên cho phép kết hợp phần mềm điều
khiển với q trình tự động hố. Những thành phần dễ sử dụngcủa WinCC giúp tích
hợp những ứng dụng mới hoạc có sẵn mà khơng gặp bất kỳ trở ngại nào.
- Đặc biệt với WinCC, người sử dụng có thể tạo ra một giao diện điều khiển giúp
quan sát mọi hoạt động của q trình tự động hố một cách dễ dàng.
- Phần mềm này có thể trao đổi trực tiếp với nhiều loại PLC của các hãng khác nhau
như: SIEMENS, MITSUBISHI, ALLEN BRADLEY,... , nhưng nó truyền thơng rất
tốt với PLC của hãng SIEMENS. Nó dược cài đặt trên máy và tính giao tiếp với
PLC thơng qua cổng COM1 hoặc COM2 (chuẩn RS-232) của máy tính. Do đó, cần
phải có một bộ chuyển đổi từ chuẩn RS-232 sang chuẩn RS-485 của PLC.
- WinCC cịn có đặc điểm là đặc tính mở. Nó có thể sử dụng một cách dễ dàng với
các phần mềm chuẩn và phần mềm của người sử dụng, tạo nên giao diện người-máy
đáp ứng nhu càu thực tế một cách chính xác. Những nhà cung cấp hệ thống có thể
phát triển ứng dụng của họ thông qua giao diện mở của WinCC như một nền tảng để

mở rộng hệ thống.
- Ngồi khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có qui mơ lớn nhỏ khác
nhau, WinCC cịn có thể dễ dàng tích hợp với những hệ thống cấp cao như MES
(Manufacturing Excution System - Hệ thống quản lý việc thực hiện sản suất) và
pg.

18


ERP (Enterprise Resourse Planning). WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở qui mơ
tồn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của SIEMENS có mặt trên khắp thế giới.
1.4.2 Tìm hiểu OPC
(Bổ sung OPC)
Anh em ai chép đoạn này thì mở giáo trình hệ thống điều khiển phân tánTh.s Hồng
Minh Sơn trang 72 – Chép từ phần 8.3.1 đến hết phần 8.3.3
- Đề mục đặt theo thứ tự thích hợp(giả sử a, b, c…)

pg.

19


CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1.

Lựa chọn thiết bị

Dựa trên cơ sở lý thuyết, nhóm quyết định lựa chọn các thiết bị sau đây để tiến hành
xây dựng, nghiên cứu đồ án:
- PLC S7 300

- Module mở rộng Alalog SM331: đầu vào tương, 8AI, độ phân giải 12 bits
- Cảm biến nhiệt độ E52-CA35C D=10 Cho T1, dải đo 0~750 0C và cảm biến E52CA50C D=22 cho T1 loại K, dải đo 0~9000C (tham khảo datasheet phần phụ lục trang
15)
- Thơng số chính của cảm biến nhiệt hồng ngoại:
- Nguồn cấp 12~24VDC ±10%, dòng tiêu thụ tối đa 70mA.
- Tầm đo nhiệt độ 0~750 và 0~900 độ C, cấp chính xác ±1% FS
- Ngõ ra analog 4-20mA, tổng trở tối đa 250Ω
- Sử dụng ánh sáng hồng ngoại bước sóng 8~16.0 μm, thời gian đáp ứng 100ms

pg.

20