Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

1

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

MỤC LỤC

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

2

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

MỞ ĐẦU
Từ khi công nghiệp ra đời, máy móc được đưa vào phục vụ sản xuất, vì vậy
con người đã được giải phóng khỏi lao động chân tay rất nhiều. Bên cạnh đó, sản
phẩm làm ra được tăng lên đáng kể về số lượng và chất lượng được ổn định. Tuy
nhiên, cùng với sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật, tự động hóa trong
công nghiệp ra đời, từng bước hình thành và tiến bộ theo sự phát triển của nền công
nghiệp hiện đại. Đây chính là một bước ngoặt lớn thứ hai trong nền sản xuất hàng
hóa của con người. Con người giờ đây thật sự được giải phóng khỏi lao động chân
tay hay những lao động trong các môi trường độc hại, thay vào đó là những cỗ máy
thông minh, làm việc hiệu quả cao.
Sự ra đời PLC (Programable Logic Controller) giúp cho việc lập trình với sự
hỗ trợ của máy tính để quản lý hoạt động các hệ thống trong công nghiệp trở nên

đơn giản hơn. Tuy nhiên việc điều khiển và giám sát sự hoạt động của hệ thống tự
động hóa trong công nghiệp không đơn giản chút nào, chính vì thế phương thức
giao tiếp giữa người và máy ra đời để đáp ứng nhu cầu điều khiển và giám sát hệ
thống tự động họa hoàn toàn bằng máy vi tính. WinCC là một phần mềm hoạt động
trên giao thức người và máy, nó đáp ứng tất cả các nhu cầu con người cần thiết để
điều khiển và giám sát một cách tối ưu các hệ thống tự động hóa được điều khiển
bằng PLC.
Với mục tiêu giúp sinh viên có điều kiện tiếp cận và sử dụng thành thạo bộ điều
khiển khả trình PLC- S7-200 CPU 214 của hãng Siemens và làm quen với phần
mềm WinCC tôi đã thực hiện đề tài tốt nghiệp “Lập trình, điều khiển giám sát hệ
thống bơm nước bằng PLC S7-200. (Phòng thí nghiệm Kĩ thuật điện – Bm. Kĩ
thuật điện – ĐHTL)”
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều để thực hiện tốt đề tài tốt nghiệp này nhưng
cũng không thể tránh khỏi những hạn chế, sai sót, mong được sự phê bình và góp ý
của quý thầy cô và các bạn sinh viên để đề tài được hoàn thiện hơn.

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

3

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến ThS. Lê
Trung Dũng – Bộ môn Kỹ thuật điện, Khoa Năng lượng, Trường Đại học Thủy

Lợi–người đã định hướng đề tài và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực
hiện đồ án tốt nghiệp này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Văn Tân tại phòng thí nghiệm Điện kĩ thuật,
Đại học Thủy Lợi, người đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo tôi rất nhiều trong suốt quá
trình nghiên cứu, học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Tôi xin cảm ơn các bạn trong nhóm đồ án tốt nghiệp đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi rất
nhiều trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài.
Xin cảm ơn các bạn trong tập thể lớp 50KTĐ đã hỏi thăm, ủng hộ tôi trong thời
gian làm đồ án tốt nghiệp.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới gia đình và bạn bè– những người
đã luôn ở bên cạnh tôi những lúc khó khăn, động viên, khích lệ tôi trong cuộc sống
cũng như trong học tập, nghiên cứu, công việc.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày….tháng…năm 2012
Sinh viên
Nguyễn Đình Phát

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 4

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, SƠ ĐỒ CỦA HỆ THỐNG TỰ
ĐỘNG HÓA

1.1. Cơ cấu chấp hành
•

Hệ thống bơm nước gồm:

•

2 bình chứa dung tích 2000ml± 20ml.

•

Hai máy bơm nước dùng để bơm nước qua lại giữa 2 bình chứa.

•

Cảm biến phát hiện trạng thái nước đầy ở bình chứa 1.

•

Cảm biến phát hiện trạng thái nước cạn ở bình chứa 1.

•

Một đầu ra hiển thị trạng thái làm việc của bơm 1.

•

Một đầu ra hiển thị trạng thái làm việc của bơm 2.

1.2. Nguyên lý hoạt động

a. Chế độ auto:
•

Khi khởi động hệ thống ở chế độ auto, hệ thống ở trạng thái ban đầu

•

Bình chứa 1 đầy nước

•

Các động cơ bơm ở trạng thái ko tích cực

•

Nhấn nút Start thì hệ thống hoạt động như sau
•
•
•
•
•
•

Máy bơm 1 hoạt động bơm nước sang bình 2.
Khi cảm biến áp suất báo cạn ở bình 1 tích cực thì dừng máy bơm 1.
Máy bơm 2 hoạt động bơm nước về lại bình 1.
Khi cảm biến áp suất báo đầy bình 1 tích cực thì dừng máy bơm 2.
Hệ thống lặp đi lặp lại chu trình bơm nước.
Hệ thống có nút Stop để điều khiển hệ thống tạm dừng và tiếp tục chu
trình nếu nhấn nút start.


b. Chế độ manual:
Hệ thống ở trạng thái ban đầu
• Nhấn nút điều khiển bơm 1 thì bơm 1 hoạt động, đèn 1 báo trạng thái
của bơm 1 sáng
• Nhấn nút điều khiển bơm 2 thì bơm 2 hoạt động, đèn 2 báo trạng thái
của bơm 2 sáng

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 5

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

• Nhấn nút điều khiển bơm 1 thì bơm 1 dừng hoạt động, đèn báo trạng thái
của bơm 1 tắt
• Nhấn nút điều khiển bơm 2 thì bơm 2 dừng hoạt động, đèn báo trạng thái
của bơm 2 tắt
1.3. Các cảm biến

Hình 1.1: Hai cảm biến áp lực nước phát hiện trạng thái đầy và cạn.

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ



Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 6

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

1.4. Sơ đồ hệ thống

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống
1.5. Hệ thống nút bấm và bảng điều khiển

Hình 1.3: Bảng điều khiển và nút bấm

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 7

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

CHƯƠNG 2: LẬP BIỂU ĐỒ CHỨC NĂNG TUẦN TỰ

Hình 2.1: Sơ đồ chức năng hệ thống bơm nước
2

2.1. Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hệ thống được rẽ nhánh làm 2 chế độ riêng biệt là tự động và bằng tay
•
•

Chế độ auto:

Bước 1: Bơm nước từ bình chứa 1 sang bình 2 khi sensor2 tích cực,
PUMP1 điều khiển máy bơm 1.

•

Bước 2: Bơm nước từ bình 2 về bình 1 khi sensor1 tích cực, PUMP2 điều
khiển máy bơm 2.

Hệ thống lặp đi lặp lại.
•

Chế độ manual:

-

Bước 1: Bơm nước sang bình 2, điều khiển máy bơm 1 bằng PUMP1

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư


-

Trang 8

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

Bước 2: Bơm nước về lại bình 1, điều khiển máy bơm 2 bằng PUMP2

2.2. Phần xử lý khởi động/dừng/tạm dừng (start/stop/pause)

Hình 2.2: Đoạn chương trình xử lý khởi tạo/dừng/tạm dừng
Hình 2.2 mô tả phần xử lý start/stop/pause. Cuộn hút nội Run điều khiển toàn
bộ hoạt động của biểu đồ chức năng. Cuộn hút này dùng để xác lập trạng thái không
tích cực của đầu ra cần thiết khi tạm dừng hệ thống. Đôi khi cũng được dùng trong
điều kiện chuyển tiếp. Điều kiện chuyển tiếp cho phép hệ thống hoạt động cần được
thỏa mãn để hệ thống hoạt động hoặc khởi tạo sau khi gặp lỗi. Điều kiện khóa khi
thỏa mãn sẽ làm cho hệ thống dừng hoặc tạm dừng.
2.3. Thiết kế phần khởi tạo

Hình 2.3: Nhánh khởi tạo hệ thống.
Điều kiện chuyển tiếp khi khởi tạo sẽ đưa hệ thống đến trạng thái ban đầu khi
không có bước nào thực hiện. Khi cuộn hút nội Run tích cực hệ thống chuyển sang
bước đầu tiên (Step1).

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ



Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 9

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

2.4. Thiết kế các điều kiện chuyển tiếp

Hình 2.4: Điều kiện chuyển tiếp giữa các bước
Hình 2.4 mô tả sơ đồ thực hiện điều kiện chuyển tiếp giữa các bước. Trạng thái
logic thực hiện điều kiện chuyển tiếp cho phép thực hiện bước tiếp theo đồng thời
cũng là điều kiện để thoát khỏi bước hiện thời. Khi đang thực hiện bước hiện thời,
điều kiện chuyển tiếp thỏa mãn thì bit điều khiển bước tiếp theo được xác lập và bit
điều khiển bước hiện thời được khởi tạo. Do đó hệ thống chuyển sang thực hiện
bước tiếp theo.
2.5. Thiết kế thao tác trong các bước

Hình 2.5: Thao tác trong các bước
Bit điều khiển bước dùng để điều khiển trạng thái hoạt động của bước.
Bước này dùng để thực hiện các thao tác trong các bước như xác lập trạng thái
tích cực của đầu ra, bộ định thời. Cuộn hút nội Run cũng có thể dùng để làm
Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 10


Ngành kỹ thuật điện, điện tử

điều kiện cho các thao tác nếu cần xác lập trạng thái không tích cực của thao
tác khi hệ thống tạm dừng.

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 11

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PLC S7-200
3.1. Phân tích yêu cầu đầu vào/ra của bài toán
 Các đầu vào đầu ra được định nghĩa như sau:
Biến

Mô tả

START_PB

Nút khởi động, NO. Tích cực khi cần khởi động
hệ thống.

STOP_PB


Nút dừng, NC. Tích cực khi cần dừng hệ thống.

Sensor1

Cảm biến mức. Tích cực khi bình 1 cạn.

Sensor2

Cảm biến mức, Tích cực khi bình 2 cạn.

PUMP1

Điều khiển máy bơm 1, tích cực khi cần bơm
nước ở bình 2.

PUMP2

Điều khiển máy bơm 2, tích cực khi cần bơm
nước ở bình 2.

LED1

Đèn báo trạng thái hoạt động của bơm 1.

LED2

Đèn báo trạng thái hoạt động của bơm 2.

 Địa chỉ và kiểu dữ liệu các biến:


Hình 3.1: Định nghĩa và địa chỉ của các biến.

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 12

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

3.2. Lựa chọn CPU PLC phù hợp với bài toán
Theo yêu cầu của hệ thống và dự vào biểu đồ chức năng tacó thể sử dụng
loại PLC có ít đầu ra/vào để tiết kiệm được tối đa chi phí.
Bài toán điều khiển hệ thống có 2 bước có 4 đầu ra để điều khiển các thao tác
các của các bước, có 9 bước đầu vào cho các bước và điều kiện chuyển tiếp giữa
các bước, có sử dụng biến run.
Với các yêu cầu của hệ thống như trên ta sử dụng PLC S7-200 CPU 214
3.3. Giới thiệu PLC S7-200 CPU 214
3.3.1

Tổng quát về PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập
trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic
thông qua một ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một
loạt trình tự các sự 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 dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.

-

Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.

-

Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức
tạp.

-

Hoàn toàn tin cậy trog môi trường công nghiệp.

-

Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối
mạng, các môi Modul mở rộng.

-


Giá cả cá 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 đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và
Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 13

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

tính dễ 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 công 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 công 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 dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với
các bộ dây nối hayRelay.
3.3.2


Giới thiệu PLC S7-200 CPU214

Hình3.2: PLC S7-200 CPU 214

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

•

Trang 14

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

Cấu trúc phần cứng của CPU 214

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của Hãng SIEMNS (CHLB
Đức) có cấu trúc theo kiểu Modul và có các modul mở rộng. Các modul này được
sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7-200 là
khối vi xử lý CPU-214.
CPU-214 bao gồm 14 ngõ vào và 10 ngõ ra, có khả năng thêm 7 modul mở rộng.
• 2.048 từ đơn (4 Kbyte) thuộc miền nhớ đọc/ghi non-volatile để lưu chương
trình (vùng nhớ có giao diện với EEPROM).
•

2.048 từ đơn (4 Kbyte) thuộc kiểu đọc ghi để lưu dữ liệu, trong đó 512 từ
đầu thuộc miền non-volatile.


•

Tổng số ngõ vào/ra cực đại là 64 ngõ vào và 64 ngõ ra.

•

128 Timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau: 4 Timer 1ms, 16
Timer 10ms và 108 Timer 100ms.

•

128 bộ đếm chia làm 2 loại: chỉ đếm tiến và vừa đếm tiến vừa đếm lùi.

•

688 bít nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc.

•

Các chế độ xử lý ngắt gồm: ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc
xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung.

•

3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2KHz và 7Khz.

•

2 bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM.


•

2 bộ điều chỉnh tương tự

•

Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ kể
từ khi PLC bị mất nguồn cung cấp.

 Các đèn báo trên S7-200 CPU214
•

SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng.

•

RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và
thực hiện chương trình được nạp vào trong máy.

•

STOP (đèn vàng): Đèn vàng STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng
chương trình và đang thực hiện lại.
•

Chế độ làm việc

PLC có 3 chế độ làm việc:
Sinh viên: Nguyễn Đình Phát


Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

•

Trang 15

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

RUN: cho phép PLC thực hiện chương trình từng bộ nhớ, PLC sẽ chuyển
từ RUN sang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chương trình gặp
lệnh STOP.

•

STOP: Cưỡng bức PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế
độ STOP.

•

TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC
hoặc RUN hoặc STOP.
•

Cổng truyền thông

S7-200 sử dụng cổng truyền thông 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. 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 ÷38.400 baud.
Để ghép nối S7-200 với máy lập trình PG702 hoặc các loại máy lập trình thuộc
họ PG7xx có thể dùng một cáp nối thẳng MPI. Cáp đó đi kèm với máy lập trình.
Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp nối PC/PPI với
bộ chuyển đổi RS232/RS485

 Cấu trúc bộ nhớ
Bộ nhớ S7-200 được chia thành 4 vùng với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu
trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn. Bộ nhớ S7-200 có tính năng
động cao, đọc, ghi được trong toàn vùng, loại trừ các bit nhớ đặc biệt SM (Special
memory) chỉ có thể truy nhập để đọc

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

•

Trang 16

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

Vùng chương trình

Là nguồn nhờ được sử dụng để lưu giữ các lệnh chương trình. Vùng này thuộc

kiểu non-volatile đọc/ghi được.
•

Vùng tham số

Là miền lưu giữ các tham số như: từ khóa, địa chỉ trạm… cũng giống như vùng
chương trình, thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được.
•

Vùng dữ liệu

Là miền nhớ động được sử dụng để cất giữ các dữ liệu của chương trình. Nó có
thể được truy cập theo từng bít, từng byte, từng từ đơn (W-Word) hoặc theo từ kép
(DW_ Double Word), vùng dữ liệu được chia thành những miền nhớ nhỏ với các
công dụng khác nhau. Chúng được ký hiệu bằng chữ cái đầu theo từ tiếng Anh, đặc
trưng cho công dụng riêng của chúng như sau:
•

V: Variable Memory.

•

I

•

O: Output image regiter.

•


M: Internal Memory bits.

•

SM: Special Memory bits.

: Input image register.

Tất cả các miền này đều có thể truy nhập theo từng bít, từng byte, từng từ
(word) hoặc từ kép (double word).
•

Vùng đối tượng

Bao gồm các thanh ghi Timer, bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào ra, thanh ghi AC.
Vùng này không thuộc kiểu Non-Volatile nhưng đọc/ghi được.

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

•

Trang 17

Ngành kỹ thuật điện, điện tử


Mở rộng cổng vào ra

CPU 214 cho phép mở rộng nhiều nhất 7 Modul. Các modul mở rộng tương
tự và có thể mở rộng cổng vào của PLC bằng cách ghép nối thêm vào nó các modul
mở rộng về phía bên phải của CPU, làm thành một móc xích. Địa chỉ của các vị trí
của các modul được xác định cùng kiểu. Ví dụ như một modul cổng ra không thể
gán địa chỉ của một modul cổng vào, cũng như một modul tương tự không thể có
địa chỉ như một modul số và ngược lại.
Các modul mở rộng số hay tương tự đều chiếm chổtrong bộ đệm, tương tự với
số đầu vào/ra của modul.
Sau đây là địa chỉ của một số modul mở rộng trên CPU214

CPU214

MODUL 0

MODUL 1

(4vào/4ra)

(8 vào)

MODUL 2
(3vào analog/1ra
analog)

MODUL 3
(8 ra)

MODUL 4

(3vào analog/1ra
analog)

I0.0

Q0.0 I2.0

I3.0

AIW0

Q3.0

AIW8

I0.1

Q0.1 I2.1

I3.1

AIW2

Q3.1

AIW10

I0.2

Q0.2 I2.2


I3.2

AIW4

Q3.2

AIW12

I0.3

Q0.3 I2.3

I3.3

I0.4

Q0.4

I3.4

I0.5

Q0.5 Q2.0

I3.5

Q3.5

I0.6


Q0.6 Q2.1

I3.6

Q3.6

I0.7

Q0.7 Q2.2

I3.7

Q3.7

I1.1

Q1.0 Q2.3

I1.2

Q1.1

Q3.3
AQW0

Q3.4

AQW4


I1.3
I1.4
I1.5

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

•

Trang 18

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

Cấu trúc chương trình của S7-200

Có thể được lập trình cho PLC S7-200 bằng cách sử dụng một trong các phần mềm:
Step 7 – Micro / Dos
Step 7 – Micro / Win
Những phần mềm này đều có thể cài đặt được trên các máy lập trình họ PG7xx
và các máy tính cá nhân.
Các chương trình cho S7-200 phải có cấu trúc bao gồm chương trình chính (main
program) và sau đó đến các chương trình con và các chương trình xử lý ngắt.
Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình (MEND).
Chương trình con là một bộ phận của chương trình, các chương trình phải được
viết sau lệnh kết thúc chương trình đó là lệnh MEND.
Các chương trình xử lý ngắt cũng là một bộ phận của chương trình. Nếu cần sử

dụng phải viết sau lệnh kết thúc chương trình chính (MEND).
Các chương trình được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trình chính,
sau đó đến các chương trình xử lý ngắt. Cũng có thể do trộn lẫn các chương trình
con và chương trình xử lý ngắt ở sau chương trình chính.

•

Thực hiện chương trình của S7-200

PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng
quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn đọc các dữ liệu từ các cổng
vào vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng
Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 19

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

quét, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc tại lệnh kết thúc
MEND. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và
kiểm lỗi. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm
ảo tới các cổng ra.
Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thông thường lệnh không làm việc trực
tiếp cổng vào ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Việc
truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn (1) và (4) do CPU quản lý.

Khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả
chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này trực tiếp với cổng vào và ra.
Nếu sử dụng các chế độ ngắt chương trình tương ứng với từng tín hiệu ngắt
được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình. Chương trình xử lý
ngắt chỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt và có thể
xảy ra ở bất cứ điểm nào trong vòng quét.
•

Các toán hạng lập trình cơ bản

Có 6 phần tử lập trình cơ bản, mỗi phần tử có công dụng riêng. Để dễ dàng xác
định thì mỗi phần tử được gán cho mộ ký tự:
•

I: Dùng để chỉ ngõ vào vật lý nối trực tiếp vào PLC.

•

Q: Dùng để chỉ ngõ ra vật lý nối trực tiếp từ PLC.

•

T: Dùng để xác định phần tử định thời có trong PLC.

•

C: Dùng để xác định phần tử đếm có trong PLC.

•


M và S: Dùng như các cờ hoạt động như bên trong PLC.
Tất cả các phần tử (toán hạng) trên có hai trạng thái ON hoặc OFF (1 hoặc 0).

Cuộn dây có thể được dùng để điều khiển trực tiếp ngõ ra từ PLC (như phần tử Q)
hoặc có thể điều khiển bộ định thời, bộ đếm hoặc cờ (như phần tử M, S). Mỗi cuộc dây
được gắn với các công tắc. Các công tắc này có thể là thường mở hoặc thường đóng.
Các ngõ vào vật lý nối đến bộ điều khiển lập trình (phần tử I) không có cuộn
dây để lập trình. Các phần tử này chỉ có thể dùng ở dạng các công tắc mà thôi (loại
thường đóng và thường mở).

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 20

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

3.4. Ngôn ngữ lập trình của PLC S7-200 CPU 214
3.4.1

Phương pháp lập trình

S7-200 biểu diễn một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh lập trình. Chương trình
bao gồm một các dãy lệnh. S7-200 thực hiện chương trình bắt đầu từ lệnh lập trình đầu
tiên và kết thúc ở lệnh cuối trong một vòng. Một vòng như vậy gọi là một vòng quét.
 Định nghĩa về LAD

LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa. Những thành phần cơ bản dùng
trong LAD tương ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơle. Trong
chương trình LAD các phần tử cơ bản dùng để biểu diễn lệnh logic như sau:
•

Tiếp điểm: là biểu tượng (symbol) mô tả các tiếp điểm của role. Các tiếp
điểm đó có thể là thường mở ┤├ hoặc thường đóng ┤/├.

•

Cuộn dây (coil): là biểu tượng ─( )─ mô tả các role. Được mắc theo chiều
dòng cung cấp điện cho role.

•

Hộp (box): là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau nó làm việc khi có dòng
điện chạy đến hộp. Những dạng hàm thường được biểu diễn bằng hộp là
các bộ định thời (timer), bộ đếm (Couter) và các hàm toán học. Cuộn dây
và các hộp phải được mắc đúng chiều dòng điện.

•

Mạng LAD: Là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn thiện, đi từ
nguồn bên trái sang đường nguồn bên phải. Đường nguồn bên trái là dây
nóng, đường nguồn bên phải là dây trung hòa hay là đường trở về nguồn
cung cấp (đường nguồn bên phải tường không được thể hiện khi dùng
chương trình STEP- Micro/WIN). Dòng điện chạy từ bên trái qua các tiếp
điểm đến các cuộn dây hoặc các hộp trở về bên phải nguồn
 Định nghĩa về STL:


Phương pháp liệt kê (STL) là phương pháp là thể hiện chương trình dưới dạng
tập hợp các câu lệnh. Mỗi câu lệnh trong chương trình, kể cả những lệnh hình thức,
biểu diễn một chức năng của PLC
 Định nghĩa về ngăn xếp logic (logic stack):
S0
S1
S2

Stack 0- bit đầu tiên hay bit trên cùng của ngăn xếp
Stack 1- bit thứ hai của ngăn xếp
Stack 2- bit thứ ba của ngăn xếp

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

S3
S4
S5
S6
S7
S8
3.4.2

Trang 21

Ngành kỹ thuật điện, điện tử


Stack 3- bit thứ tư của ngăn xếp
Stack 4- bit thứ năm của ngăn xếp
Stack 5- bit thứ sáu của ngăn xếp
Stack 6- bit thứ bảy của ngăn xếp
Stack 7- bit thứ tám của ngăn xếp
Stack 8- bit thứ chin của ngăn xếp

Cú pháp lệnh của S7-200

Hệ lệnh của S7-200 được chia làm ba nhóm:
•

Các lệnh mà khi thực hiện khi làm việc độc lập không phụ thuộc vào giá trị
logic của ngăn xếp.

•

Các lệnh chỉ thực hiện khi bit đầu tiên của ngăn xếp có giá trị logic bằng 1.

•

Các nhãn lệnh đánh dấu trong vị trí tập lệnh.

Các toán hạng giới hạn cho phép của CPU 214:
Phương pháp truy nhập
Truy nhập theo bit
(địa chỉ byte, chỉ số bit)

Giới hạn cho phép của toán hạng

của CPU 214
V
(0.0 đến 4095.7)
I
(0.0 đến 7.7)
Q
(0.0 đến 7.7)
M
(0.0 đến 31.7)
SM
(0.0 đến 85.7)
T
(0 đến 7.7)
C
(0.0 đến 7.7)

Nhập theo byte

VB
IB
MB
SMB
AC
Hằng số

Truy nhập theo từ đơn(word)
(địa chỉ byte cao)

VW
T

C
IW
QW
MW

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

(0 đến 4095)
(0 đến 7)
(0 đến 31)
(0 đến 85)
(0 đến 3)
(0 đến 4094)
(0 đến 127)
(0 đến 127)
(0 đến 6)
(0 đến 6)
(0 đến 30)
Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Truy nhập theo từ kép
(địa chỉ byte cao)

•
•

Trang 22


SMW
AC
AIW
AQW
Hằng số
VD
ID
QD
MD
SMD
AC
HC
Hằng số

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

(0 đến 84)
(0 đến 3)
(0 đến 30)
(0 đến 30)
(0 đến 4092)
(0 đến 4)
(0 đến 4)
(0 đến 28)
(0 đến 82)
(0 đến 3)
(0 đến 2)

Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm:


SET (S) RESET (R):

Lệnh dùng để đóng và ngắt các điểm gián đoạn đã được thiếtkế. Trong LAD,
logicđiều khiển dòng điện đóng hay ngắt các cuộn dây đầura. Khi dòng điều khiển
đến các cuộn dây thì các cuôn dây đóng hoặc mở cáctiếp điểm. Trong STL, lệnh
truyền trạng thái bit đầu tiên của ngăn xếp đến cácđiểm thiết kế. Nếu bit này có giá
trị.
•

Các lệnh logic đại số Boolean:

Các lệnh tiếp điểm đại số Boolean cho phép tạo lập các mạch logic(không có
nhớ). Trong LAD các lệnh này được biểu diễn thông qua cấu trúcmạch, mắc nối tiếp
hay song song các tiếp điểm thường đóng hay các tiếpđiểm thường mở. Trong STL
có thể sử dụng lệnh A (And) và O (Or) cho cáchàm hở hoặc các lệnh AN (And Not),
ON (Or Not) cho các hàm kín. Giá trịcủa ngăn xếp thay đổi phụ thuộc vào từng
lệnh.
•
•

Các lệnh tiếp điểm đặc biệt

┤ NOT ├ ┤ P ├ ┤ N ├

Có thể dùng các lệnh tiếp điểm đặc biệt để phát hiện sự chuyển tiếp trạng thái
của xung (sườn xung) và đảo lại trạng thái của dòng cung cấp (giá trị đỉnh của ngăn
xếp). LAD sử dụng các tiếp điểm đặc biệt này để tác động vào dòngcung cấp. Các
tiếp điểm đặc biệt không có toán hạng riêng củachính chúng vìthế phải đặt chúng phía
trước cuộn dây hoặc hộp đầu ra. Tiếp điểm chuyểntiếp dương/âm (các lệnh sườn

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 23

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

trước và sườn sau) có nhu cầu về bộ nhớ bởivậy đối với CPU 214 có thể sử dụng
nhiều nhất là 256 lệnh.
•

Các lệnh so sánh

Khi lập trình, nếu các quyết định về điều khiển được thực hiện dựa trênkết quả
của việc so sánh thì có thể sử dụng lệnh so sánh theo byte, Word hayDword của S7
– 200.AD sử dụng lệnh so sánh để so sánh các giá trị của byte, word hay Dword (giá
trị thực hoặc nguyên). Những lệnh so sánh thường là: so sánh nhỏ hơn hoặc bằng
(<=); so sánh bằng (==) và so sánh lớn hơn hoặc bằng (>=).
•

Lệnh nhảy và lệnh gọi chương trình con

Các lệnh của chương trình, nếu không có những lệnh điều khiển riêng, sẽ được
thực hiện theo thứ tự từ trên xuống dưới trong một vòng quét. Lệnh điều khiển
chương trình cho phép thay đổi thứ tự thực hiện lệnh. Chúng cho phép chuyển thứ
tự thực hiện, đáng lẽ ra là lệnh tiếp theo, tới một lệnh bất cứ nào khác của chương

trình, trong đó nơi điều khiển chuyển đến được đánh dấu trước bằng mộtnhãn chỉ
đích. Thuộc nhóm lệnh điều khiển chương trìnhgồm:lệnh nhảy, lệnh gọi chương
trình con. Nhãn chỉ đích, hay gọi đơn giản là nhãn, phải được đánh dấu trước khi
thực hiện nhảy hay lệnh gọi chương trình con.
•
•

Các lệnh can thiệp vào thời gian vòng quét

MEND, END, STOP, NOP, WDR

Các lệnh này được dùng để kết thúc chương trình đang thực hiện, và kéo dài một
khoảng thời gian của một vòng quét.Trong LAD và STL chương trình phải được kết
thúc bằng lệnh kết thúc không điều kiện.
MEND. Có thể sử dụng lệnh kết thúc có điều kiện END trước lệnh kết thúc
không điều kiện.
Lệnh STOP kết thúc chương trình, nó chuyển điều khiển chương trình đến chế
độ STOP. Nếu như gặp lệnh STOP trong chương trình chính, hoặc trongchương
trình con thì chương trình đang được thực hiện sẽ kết thúc ngay lập tức.
•

Các lệnh điều khiển Timer

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư


Trang 24

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

Timer là bộ tạo thời gian giữa tín hiệu ra nên trong điều khiển vẫn thườngđược
gọi làkhâu trễ. Nếu ký hiệu tín hiệu (logic) vào là x(t) và thời gian trễtạo ra bằng
Timer là τthì tín hiệu đầu ra của Timer đó sẽ là x(t – τ)
S7– 200 có 64 bộ Timer (với CPU 212) hoặc 128 Timer (với CPU 214)được
chia làm hai loại khác nhau là:
•

Timer tạo thời gian trễ không có nhớ (On-Delay Timer), ký hiệu là TON.
• Timer tạo thời gian trễ có nhớ (Retentive On-Delay Timer), ký
hiệu làTONR.

•

Các lệnh điều khiển Counter
Counter là bộ đếm thực hiện chức năng đếm sườn xung trong S7

– 200.Các bộ đếm của S7 –200 được chia làm hai loại: bộ đếm tiến (CTU) và
bộđếm tiến/lùi (CTUD).
•

Đồng hồ thời gian thực
Đồng hồ thời gian thực chỉ có với CPU 214.Để có thể làm việc với đồnghồ

thời gian thực CPU 214 cung cấp 2 lệnh đọc và ghi giá trị cho đồng hồ. Những giá
trị đọc được hoặc ghi được với đồng hồ thời gian thực là các giá trịvề ngày, tháng,
năm và các giá trị về giờ, phút, giây.


Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ


Đồ án tốt nghiệp kỹ sư

Trang 25

Ngành kỹ thuật điện, điện tử

CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN BÀI TOÁN
Dùng chương trình V4.0 STEP 7 MicroWin và S7-200 Simulato để lập trình và
mô phỏng làm việc của hệ thống ta có như sau
4.1. Lập trình bằng STEP 7 MicroWin

Sinh viên: Nguyễn Đình Phát

Lớp 50KTĐ