ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỖ THỊ HOA

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PLC ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
THỰC HÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP
QUẢNG NINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN, 2014


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỖ THỊ HOA

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PLC ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
THỰC HÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP
QUẢNG NINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN
TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. NGUYỄN THANH HÀ
PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN, 2014


1

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đỗ Thị Hoa
Sinh ngày: 02 tháng 09 năm 1986
Học viên lớp Cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật
Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định
hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn

Đỗ Thị Hoa


2

LỜI CẢM ƠN


Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo
Phòng Sau đại học, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các
thầy giáo, cô giáo, các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ và đóng góp
nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản luận văn
của mình.
Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình
của các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp
thuộc ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn
và góp ý của thầy PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà đã giúp cho đề tài hoàn thành
mang tính khoa học cao. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các
thầy, cô.
Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế
nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý
kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu,
hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này.
Học viên

Đỗ Thị Hoa


3

MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt
v Danh mục các bảng biểu
vi Danh mục các hình vẽ và đồ thị

vii
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển logic khả trình PLC và
tổng quan về S7-200, S7-300
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển logic khả trình (PLC)
1.1.1. Giới thiệu
1.1.2. Cấu trúc của một PLC
1.1.3. Các khối của PLC
1.1.4. Phương thức thực hiện chương trình trong PLC
1.2. Tổng quan về S7-200, S7-300
1.2.1. Tổng quan về S7-200
1.2.2. Tổng quan về S7-300

rang
i
ii
iii

1
4
4
4
6
9
14
10
16
25

28

1.3. Kết luận chương 1
Chương 2: Giới thiệu chung về Trường Đại học Công nghiệp Quảng 29
Ninh và xây dựng hệ thống thực hành ứng dụng PLC S7-300 tại
trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh
2.1. Giới thiệu chung về Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh

29

2.2. Giới thiệu về hệ thống phòng thí nghiệm Điện - Tự động hóa của
Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh
2.3. Đánh giá thực trạng hệ thống phòng thí nghiệm hiện tại và xu thế
phát triển của Nhà trường.
2.3.1. Xu thế phát triển của Trường
2.3.2. Thực trạng hệ thống phòng thí nghiệm Điện
2.4. Kết luận
2.5. Xây dựng hệ thống thực hành đa năng ứng dụng PLC S7-300

30
32
32
34
35
36


2.5.1. Thiết kế bố trí module chứa bộ điều khiển lập trình PLC S7-300 36
2.5.1.1. Mô hình thực hành điều khiển khởi động động cơ một chiều kích 38
từ độc lập quay theo hai chiều thuận nghịch
2.5.1.2. Mô hình thực hành điều khiển đảo chiều động cơ một chiều kích 45
từ độc lập điều khiển theo nguyên tắc hành trình (sử dụng cảm biến)

2.5.1.3. Mô hình thí nghiệm điều khiển khởi động động cơ qua các cấp

52

điện trở phụ
2.5.1.4. Mô hình thực hành điều khiển đèn giao thông tại ngã tư
2.5.1.5. Mô hình thực hành khởi động, động cơ không đồng bộ sử dụng

62
70

phương pháp đổi nối sao - tam giác
2.6. Kết luận chương 2
Chương 3: Xây dựng bài giảng thực hành với PLC S7-300
3.1. Cơ sở lý thuyết chung của phương pháp dạy học thực hành
3.2. Xây dựng bài thực hành lập trình điều khiển với PLC S7-300

77
78
78
80

3.2.1. Tiếp cận thiết bị và thực hành với đầu vào ra
3.2.2. Thực hành với Timer và Counter

80
89

3.2.3. Bài thực hành tổng hợp và nâng cao về PLC S7-300


96

3.3. Kết luận chương 3

99


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số hiệu

Nội dung bảng biểu

Trang

Bảng 3.1

Gán địa chỉ vào/ra

89

Bảng 3.2

Gán địa chỉ vào/ra

96

Bảng 3.3

Gán địa chỉ vào/ra


99


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Số hiệu

Nội dung

Trang

Hình 1.1

Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ điều khiển logic khả trình

6

Hình 1.2

Cấu trúc chung của bộ điều khiển lập trình PLC

8

Hình 1.3

Các khối trong một PLC

9


Hình 1.4

Sơ đồ một bộ nhớ chương trình

11

Hình 1.5

Chu kỳ quét trong PLC

15

Hình 1.6

Bộ PLC S7-200

16

Hình 1.7

Sơ đồ cấu trúc bên trong PLC của hãng Siemens

17

Hình 1.8

Cấu trúc bộ nhớ của S7-200

18


Hình 1.9

Sơ đồ chân cổng truyền thông RS 485

21

Hình 1.10

Sơ đồ ghép nối S7-200 với PLC

21

Hình 1.11

Vòng quét chương trình trong PLC S7-200

23

Hình 1.12

Cấu trúc chương trình của PLC S7-200

24

Hình 1.13

Cách xác định địa chỉ cho module mở rộng

27


Hình 1.14

Cấu trúc lắp ghép của một trạm PLC

28

Hình 2.1.

Mô hình hoàn thiện sau khi thiết kế module chứa bộ điều khiển S7-300
Mô hình thực hành điều khiển khởi động động cơ một chiều kích từ độc lập
quay theo hai chiều thuận ngược

37
41

Hình 2.3.

Mô hình thực hành điều khiển đảo chiều động cơ một chiều kích từ độc lập
điều khiển theo nguyên tắc hành trình

48

Hình 2.4.

Mô hình thực hành điều khiển khởi động động cơ qua các cấp điện trở phụ

57

Hình 2.5.


Mô hình thực hành điều khiển đèn giao thông tại ngã tư
Mô hình thực hành khởi động động cơ không đồng bộ sử dụng phương pháp

65
74

Hình 2.2.

Hình 2.6

đổi nối sao- tam giác


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nền công nghiệp thế giới đang trên đà phát triển ngày càng cao, trong đó vấn đề
điều khiển tự động luôn là mối quan tâm hàng đầu trong các ứng dụng khoa học sản
xuất. Nó đòi hỏi sự chính xác, tính tiêu chuẩn và khả năng xử lý nhanh ở mức hoàn
hảo, chỉ như vậy mới đáp ứng được nhu cầu ngày càng gia tăng của xã hội.
Sự xuất hiện máy tính từ những năm đầu thập kỷ 60 đã mở ra nhiều triển vọng
lớn lao trong các ứng dụng khoa học phục vụ con người, nhưng các nhà sản xuất
không ngừng lại ở đó. Từ các hệ thống máy tính to lớn cồng kềnh và phức tạp, các nhà
khoa học không ngừng cải tiến và hoàn thành cả phần cứng lẫn phần mềm để đáp ứng
các yêu cầu trong công nghiệp với các sản phẩm gọn nhẹ, tiện dụng, độ linh hoạt cao,
giá thành rẻ. Từ đó bộ lập trình PLC được ra đời.
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.
Môn học lập trình PLC là môn học chuyên ngành trong chương trình đào tạo
trình độ đại học, cao đẳng khối ngành kĩ thuật điện, điện tử. Môn học này giúp sinh
viên có thể thiết kế và lập trình điều khiển cho các dây chuyền tự động từ đơn giản đến
phức tạp.
Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh có xuất phát điểm là trường Kỹ thuật
trung cấp Mỏ có quy mô không lớn. Trong đó, hệ thống phòng thí nghiệm Tự động
hóa của Trường còn rất đơn giản, chưa sát thực, các thiết bị cũng như các tài liệu
hướng dẫn thực hành để củng cố kiến thức lý thuyết cho sinh viên chuyên ngành còn
hạn chế.
Trong chương trình đào tạo ngành công nghệ kĩ thuật điện, điện tử của trường
Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh, môn học điều khiển logic lập trình PLC đã được


đưa vào giảng dạy. Tuy nhiên, là ngành mới được triển khai đào tạo trình độ đại học,
cao đẳng nên các thiết bị thực hành và hệ thống bài tập chưa đầy đủ. Do vậy, đề xuất
việc nghiên cứu ứng dụng PLC và thiết kế bộ thực hành PLC có tích hợp một số thiết
bị ngoại vi giúp sinh viên có thể lập trình các bài tập đơn giản là thực sự cần thiết.
Xuất phát từ thực tiễn đó, tôi chọn đề tài luận văn: “ Nghiên cứu, ứng dụng
PLC để xây dựng hệ thống thực hành tại trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh ”.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
- Nghiên cứu tổng quan về thiết bị điều khiển logic khả lập trình PLC.
- Thiết kế bộ thực hành PLC có tích hợp một số thiết bị ngoại vi phục vụ cho
việc thực hành PLC của giảng viên, sinh viên.
3. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu các bài giảng lý thuyết của môn lập trình PLC để từ đó đưa ra cách
xây dựng các bài thí nghiệm để củng cố kiến thức lý thuyết. Dùng các phần mềm đã
học (STEP7) để mô phỏng các bài thí nghiệm trên.
4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Do hạn chế về thời gian và khuôn khổ của bản luận văn thạc sỹ kỹ thuật nên

trong bản luận văn chỉ chú ý đến một số bài trong môn Điều khiển logic và PLC sau:
- Mô hình thực hành điều khiển khởi động động cơ quay theo hai chiều thuận
ngược
- Mô hình thí nghiệm điều khiển đảo chiều động cơ một chiều kích từ độc lập
điều khiển theo nguyên tắc hành trình (sử dụng cảm biến)
- Mô hình thí nghiệm điều khiển khởi động động cơ qua các cấp điện trở phụ
- Mô hình thí nghiệm điều khiển đèn giao thông tại ngã tư
- Mô hình thí nghiệm khởi động động cơ không đồng bộ sử dụng phương pháp
đổi nối sao - tam giác
Còn các bài khác xin được phép nghiên cứu tiếp trong các bài toán cụ thể sau này.


5. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu của luận văn, nội dung của luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển logic khả trình PLC và S7-200, S7-300.
Chương 2: Giới thiệu chung về trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh và xây dựng
hệ thống thực hành ứng dụng PLC S7-300 tại trường Đại học Công nghiệp Quảng
Ninh.
Chương 3: Xây dựng bài giảng thực hành với S7-300.
Kết luận và kiến nghị.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
- Xây dựng các bài thực hành, mô phỏng các bài đó trên phần mềm STEP7 từ
đó giúp cho sinh viên có cái nhìn tổng quan và sâu sắc hơn về vai trò của phần mềm
STEP7 trong mô phỏng PLC.
Ý nghĩa thực tiễn:
- Cung cấp cho người đọc một tài liệu hữu ích trong thực hành, thí nghiệm môn
PLC.
- Đề tài nghiên cứu xây dựng và mô phỏng các bài thí nhiệm về PLC phục vụ
công tác đào tạo cho Trường đại học Công nghiệp Quảng Ninh phù hợp với xu thế

phát triển của Nhà trường.


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ
TRÌNH (PLC) VÀ TỔNG QUAN VỀ S7-200, S7-300
1.1. Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển logic khả trình (PLC)
1.1.1. Giới thiệu
Các thành phần của kỹ thuật điều khiển điện và điện tử ngày càng đóng một vai
trò vô cùng to lớn trong lĩnh vực tự động hóa ngày càng cao. Trong những năm gần
đây, bên cạnh việc điều khiển bằng Relay và khởi động từ thì việc điều khiển có thể
lập trình được càng phát triển với hệ thống đóng mạch điện tử và thực hiện lập trình
bằng máy tính. Trong nhiều lĩnh vực, các loại điều khiển cũ đã được thay đổi bởi các
bộ điều khiển có thể lập trình được, có thể gọi là các bộ điều khiển logic khả trình, viết
tắt trong tiếng Anh là PLC (Programmable Logic Controller).
Sự khác biệt cơ bản giữa điều khiển logic khả trình (thay đổi được quy trình hoạt
động) và điều khiển theo kết nối cứng (không thay đổi được quy trình hoạt động)
là: Sự kết nối dây không còn nữa, thay vào đó là chương trình. Có thể lập trình cho
PLC nhờ vào các ngôn ngữ lập trình đơn giản. Đặc biệt đối với người sử dụng không
cần nhờ vào các ngôn ngữ lập trình khó khăn, cũng có thể lập trình PLC được nhờ vào
các liên kết logic cơ bản.
Như vậy thiết bị PLC làm nhiệm vụ thay thế phần mạch điện điều khiển trong
khâu xử lý số liệu. Nhiệm vụ của sơ đồ mạch điều khiển sẽ được xác định bởi một số
hữu hạn các bước thực hiện xác định gọi là chương trình. Chương trình này mô tả các
bước thực hiện gọi một tiến trình điều khiển, tiến trình này được lưu vào bộ nhớ nên
được gọi là điều khiển theo lập trình nhớ hay điều khiển khả trình. Trên cơ sở
khác nhau ở khâu xử lý số liệu có thể biểu diễn hai hệ điều khiển như sau:


Các bước thiết lập hệ


Các bước thiết lập hệ

điều khiển bằng relay điện
Xác định nhiệm vụ điều khiển

điều khiển bằng PLC
Xác định nhiệm vụ điều khiển

Sơ đồ mạch điện
Chọn phần tử mạch điện
Dây nối liên kết các phần tử

Thiết kế thuật giải
Sọan thảo chương trình
Kiểm tra hoạt động

Kiểm tra hoạt động
Khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển thì người ta thay đổi mạch điều khiển: Lắp lại
mạch, thay đổi các phần tử mới ở hệ điều khiển bằng relay điện. Trong khi đó khi thay
đổi nhiệm vụ điều khiển ở hệ điều khiển logic khả trình (PLC) thì người ta chỉ thay
đổi chương trình soạn thảo.
Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh
hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình thay cho việc phải
thể hiện thuật toán đó bằng mạch số.
Hệ điều khiển lập trình PLC có những ưu điểm sau:
- Độ tin cậy cao, dễ dàng thay đổi chương trình.
- Chuẩn bị vào hoạt động nhanh: Thiết kế kiểu module cho phép thích nghi nhanh
với mọi chức năng điều khiển. Khi đã được lắp ghép thì PLC sẵn sàng làm việc ngay.
Ngoài ra nó còn được sử dụng lại cho các ứng dụng khác dễ dàng.
- Thích ứng với những nhiệm vụ điều khiển khác nhau.


- Khả năng thay đổi đơn giản trong quá trình đưa thiết bị vào sử dụng.
- Tiết kiệm không gian lắp đặt.
- Tiết kiệm thời gian trong quá trình mở rộng và phát triển nhiệm vụ điều khiển
bằng cách copy các chương trình.
- Các thiết bị điều khiển theo chuẩn.


- Không cần các tiếp điểm.
Hệ thống điều khiển lập trình PLC được sử rộng rất rộng rãi trong các ngành
khác nhau:
- Điều khiển thang máy, Điều khiển các quá trình sản xuất khác nhau: sản suất bia,
sản xuất xi măng v.v ....
- Hệ thống rửa ô tô tự động.
- Thiết bị khai thác, Thiết bị đóng gói bao bì, tự động mạ và tráng kẽm v.v ...
- Thiết bị sấy…
Chính nhờ những ưu thế đó, PLC hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các hệ
thống điều khiển tự động, cho phép nâng cao năng suất sản xuất, chất lượng và sự
đồng nhất sản phẩm, tăng hiệu suất, giảm năng lượng tiêu tốn, tăng mức an toàn, tiện
nghi và thoải mái trong lao động, đồng thời cho phép nâng cao tính thị trường của sản
phẩm.
1.1.2. Cấu trúc của một PLC
Để có thực hiện một chương trình điều khiển, PLC phải có tính năng như một
máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu
chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao tiếp được với đối tượng
điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó nhằm
phục vụ bài toán điều khiển số, PLC còn phải có thêm các khối chức năng đặc biệt
khác như: Bộ đếm(Counter), bộ thời gian(Timer) và những khối hàm chuyên dụng.



Các bộ điều khiển PLC được sản xuất theo dòng sản phẩm. Khi mới xuất xưởng,
chúng chưa có một chương trình cho một ứng dụng nào cả. Tất cả các cổng logic
cơ bản, chức năng nhớ, timer, counter .v.v... được nhà chế tạo tích hợp trong chúng và
được kết nối với nhau bằng chương trình được viết bởi người dùng cho một nhiệm
vụ điều khiển cụ thể nào đó. Bộ điều khiển PLC có nhiều loại khác nhau và được
phân biệt với nhau qua các thành phần sau:
- Các ngõ vào và ra
- Dung lượng nhớ
- Bộ đếm (counter)
- Bộ định thời (timer)
- Bit nhớ
- Các chức năng đặc biệt
- Tốc độ xử lý
- Loại xử lý chương trình.
- Khả năng truyền thông.
Các bộ điều khiển lớn thì các thành phần trên được lắp thành các modul riêng. Đối
với các bộ điều khiển nhỏ, chúng được tích hợp trong bộ điều khiển. Các bộ điều
khiển nhỏ này có số lượng ngõ vào/ra cho trước cố định.
Bộ điều khiển được cung cấp tín hiệu bởi các tín hiệu từ các cảm biến ở ngõ vào
của nó. Tín hiệu này được xử lý tiếp tục thông qua chương trình điều khiển đặt trong
bộ nhớ chương trình. Kết quả xử lý được đưa ra ngõ ra để đến đối tượng điều khiển
hay khâu điều khiển ở dạng tín hiệu.
Cấu trúc của một PLC có thể được mô tả như hình vẽ sau:


Hình 1.2: Cấu trúc chung của bộ điều khiển lập trình PLC
* Bộ nhớ chương trình
Bộ nhớ chương trình trong PLC là một bộ nhớ điện tử đặc biệt có thể đọc được.
Nếu sử dụng bộ nhớ đọc-ghi được (RAM), thì nội dung của nó luôn luôn được
thay đổi ví dụ như trong trường hợp vận hành điều khiển. Trong trường hợp điện áp

nguồn bị mất thì nội dung trong RAM có thể vẫn được giữ lại nếu như có sử dụng Pin
dự phòng.
Nếu chương trình điều khiển làm việc ổn định, hợp lý, nó có thể được nạp vào
một bộ nhớ cố định, ví dụ như EPROM, EEPROM. Nội dung chương trình ở EPROM
có thể bị xóa bằng tia cực tím.
* Hệ điều hành
Sau khi bật nguồn cung cấp cho bộ điều khiển, hệ điều hành của nó sẽ đặt các
counter, timer, dữ liệu và bit nhớ với thuộc tính non-retentive (không được nhớ bởi
Pin dự phòng) cũng như ACCU về 0.
Để xử lý chương trình, hệ điều hành đọc từng dòng chương trình từ đầu
đến cuối. Tương ứng hệ điều hành thực hiện chương trình theo các câu lệnh.
* Bit nhớ (Bit memoryt)
Các bit memory là các phần tử nhớ, mà hệ điều hành ghi nhớ trạng thái tín hiệu.


* Bộ đệm (Proccess Image)
Bộ đệm là một vùng nhớ, mà hệ điều hành ghi nhớ các trạng thái tín hiệu ở các ngõ
vào ra nhị phân.
*Accumulator: Accumulator là một bộ nhớ trung gian mà qua nó timer hay counter
được nạp vào hay thực hiện các phép toán số học.
* Counter, Timer:Timer và counter cũng là các vùng nhớ, hệ điều hành ghi nhớ các
giá trị đếm trong nó.
* Hệ thống Bus
Bộ nhớ chương trình, hệ điều hành và các modul ngoại vi (các ngõ vào và ngõ
ra) được kết nối với PLC thông qua Bus nối. Một Bus bao gồm các dây dẫn mà các dữ
liệu được trao đổi. Hệ điều hành tổ chức việc truyền dữ liệu trên các dây dẫn này.
1.1.3. Các khối của PLC
Các khối khác nhau của một PLC được cho như hình 1.3.

Hình 1.3. Các khối trong một PLC

1.1.3.1. Khối nguồn cung cấp
Khối nguồn có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới (110V hay 220V) thành điện
áp thấp hơn cung cấp cho các khối của thiết bị tự động. Điện áp này là 24VDC. Các
điện áp cho cảm biến, thiết bị điều chỉnh và các đèn báo nằm trong khoảng (24...220V)


có thể được cung cấp thêm từ các nguồn phụ ví dụ như biến áp.
1.1.3.2. Khối trung tâm (CPU)
Khối CPU là loại khối có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian,
bộ đếm, cổng truyền thông ... và có thể còn có một vài cổng vào ra số. Các cổng vào ra
số có trên CPU được gọi là cổng vào/ra onboard.
Mọi PLC đều dựa trên 2 loại bộ nhớ là ROM và RAM có dung lượng tùy
thuộc vào thiết kế riêng của từng loại PLC việc sử dụng các phần của bộ nhớ phụ
thuộc vào thiết kế hệ thống của nhà sản xuất, tuy nhiên có thể phân chia bộ nhớ của
PLC ít nhất thành 5 vùng sau:
- Bộ nhớ điều hành (Executive Memory)
- Bộ nhớ hệ thống (System Memory)
- Bảng ảnh vào ra (I/O Image Table)
- Bộ nhớ số liệu (Data Memory)
- Bộ nhớ chương trình (User Program Memory)
* Bộ nhớ điều hành
Bộ nhớ điều hành (Hay hệ điều hành) luôn nằm trong ROM, do được phát triển
bởi nhà sản xuất nên rất ít khi cần thay đổi. Hệ điều hành là một chương trình ngôn
ngữ máy đặc biệt để chạy PLC. Nó chỉ dẫn cho bộ vi xử lý “đọc” và “hiểu” các lệnh.
Biểu tượng do người sử dụng lập trình, theo dõi một trạng thái ra và duy trì, giám sát
các trạng thái hiện tại của hệ thống.
* Bộ nhớ hệ thống
Khi hệ điều hành thực hiện nhiệm vụ của mình thì cần một số vùng để lưu giữ
kết quả và thông tin trung gian, do đó một phần của bộ nhớ RAM được dùng cho mục
đích này. Thông thường vùng bộ nhớ hệ thống chỉ do hệ điều hành sử dụng. Một số

PLC dùng bộ nhớ hệ thống cho việc lưu giữ thông tin liên lạc giữa bộ lập trình với hệ
điều hành: ví dụ như hệ điều hành tạo một mã lỗi chứa trong vùng bộ nhớ hệ thống.
Như vậy trong quá trình thực hiện, chương trình sử dụng có thể đọc mã lỗi này để sử


lý mặt khác người sử dụng cũng có thể gửi thông tin cho hệ điều hành trước khi thực
hiện chương trình sử dụng bằng cách ghi thông tin vào vùng bộ nhớ này.
* Bảng ảnh vào ra: Một phần của bộ nhớ Ram được dùng để lưu giữ trạng thái
hiện tại của các tín hiệu vào ra hay còn gọi là bảng ảnh vào ra. Như vậy trạng thái mỗi
tín hiệu vào ra được lưu giữ tại một vị trí tương ứng trong bảng ảnh vào ra và có địa
chỉ duy nhất xác định. Mỗi modul vào ra đơn lẻ được gán một vùng riêng trong bảng
ảnh vào ra.
* Bộ nhớ số liệu: Bộ nhớ số liệu được dùng để lưu giữ các số liệu cần thiết trong
chương trình như trạng thái bộ đếm bộ thời gian, các tham số toán hạng hay các quá
trình cầu lưu giữ số liệu tạm thời. Một số nhà chế tạo chia vùng bộ nhớ số liệu thành 2
vùng (một vùng cho số liệu cố định và một vùng cho số liệu thay được). Vùng số liệu
cố định chỉ có thể lập trình thông qua thiết bị lập trình. CPU không cho phép ghi số
liệu vào vùng này mà chỉ được ghi số liệu vào vùng số liệu thay đổi được.
* Bộ nhớ chương trình: Vùng cuối của bộ nhớ trong PLC được dùng để chứa
chương trình của người sử dụng. Đây là vùng nhớ mà hệ điều hành sẽ chỉ cho CPU
đọc và thực hiện các lệnh của chương trình. Vùng nhớ chương trình có thể được chia
nhỏ tiếp nếu CPU dùng một phần của bộ nhớ này để lưu giữ các thông báo mã ASCII.
Các chương trình con hay các hàm đặc biệt khác.

Hình 1.4. Sơ đồ một bộ nhớ chương trình
Phần lớn các PLC lưu giữ các số liệu và chương trình sử dụng trong RAM. Một
số hệ thống cho phép lưu giữ cả chương trình và vùng số liệu cố định trong bộ nhớ


EPROM. Khi đó người sử dụng có thể lập trình chạy thế trong RAM cho hoạt động

trước khi nạp vào EPROM. Lưu ý rằng bộ nhớ RAM có đặc điểm là nội dung bộ nhớ
thay đổi nhanh nhưng bộ nhớ sẽ bị xóa khi có lỗi nguồn cung cấp và không có nguồn
backup. Để lưu giữ an toàn chương trình điều khiển phải ghi vào bộ nhớ EPROM hoặc
EEROM. Tuy nhiên các bộ nhớ ROM có thời gian truy cập lớn nên khi khởi tạo PLC
các chương trình điều khiển trên bộ nhớ phụ (EPROM hoặc EEROM) này thường
được sao chép vào RAM nhằm tăng tốc độ của hệ thống.
1.1.3.3. Khối vào ra:
Khối vào ra của PLC thực hiện công việc ghép nối giữa các thiết bị công
nghiệp công suất lớn với mạch điện tử cống suất nhỏ chứa và thực hiện chương trình
điều khiển. Phần lớn các PLC thực hiện công việc ghép nối giữa các thiết bị công
nghiệp công suất lớn với các điện áp trong từ 5

15 V (Điện áp TTL và CMOS).

Trong khi tín hiệu từ thiết bị vào có thể lớn hơn rất nhiều, thường từ 245 240V. Với
dòng vào một vài ampe.
Như vậy khối vào ra là một bộ ghép nối giữa mạch điện tử của PLC với thế
giới bên ngoài do đó đảm bảo được trạng thái tín hiệu cần thiết với tính chất cách ly.
Điều này cho phép PLC được nối trực tiếp với các cơ cáu chấp hành. Các thiết bị vào
ra mà không cần mạch điện hoặc rơle trung gian Một tiêu chuẩn đề ra đối với tất cả
các kênh I/O là phải được cách ly với hệ điều khiển vi xử lý đắt tiền bằng việc sử dụng
mạch Optoilatore trên các modul vào ra.
Ở PLC cỡ nhỏ có các đầu vào ra trong cùng một khối với CPU thì các đầu vào ra
cũng như các đầu vào ra thường chuẩn cùng một loại để kinh tế cho nhà sản xuất. Các
PLC kiểu modul giúp người sử dụng linh hoạt trong việc lựa chọn, kết hợp các khối
vào ra có mức tín hiệu thích hợp.
a. Khối vào
Các ngõ vào của khối này sẽ được kết nối với các bộ chuyển đổi tín hiệu và biến
đổi các tín hiệu này thành tín hiệu phù hợp với tín hiệu xử lý của CPU. Dựa vào loại
tín hiệu vào sẽ có các khối ngõ vào tương ứng. Gồm có hai loại khối vào cơ bản sau:



• Khối vào số (DI: Digital Input):
Các ngõ vào của khối này được kết nối với các bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu
nhị phân như nút nhấn, công tắc, cảm biến tạo tín hiệu nhị phân... Do tín hiệu tại
ngõ vào có thể có mức logic tương ứng với các điện áp khác nhau, do đó khi sử dụng
cần phải chú ý đến điện áp cần thiết cung cấp cho khối vào phải phù hợp với điện áp
tương ứng mà bộ chuyển đổi tín hiệu nhị phân tạo ra.
Ví dụ: Các nút nhấn, công tắc được nối với nguồn 24VDC thì yêu cầu phải sử
dụng khối vào có nguồn cung cấp cho nó là 24VDC.
• Khối vào tương tự (AI: Analog Input):
Khối này có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu tương tự (hay còn gọi là tín hiệu
analog) thành tín hiệu số. Các ngõ vào của khối này được kết nối với các bộ chuyển
đổi tạo ra tín hiệu analog như cảm biến nhiệt độ (Thermocouple), cảm biến lưu lượng,
ngõ ra analog của biến tần... Khi sử dụng các khối vào analog cần phải chú ý đến loại
tín hiệu analog được tạo ra từ các bộ chuyển đổi (cảm biến)
Ví dụ: Các cảm biến tạo ra tín hiệu analog là dòng điện (4..20 mA) thì phải sử
dụng ngõ vào analog là loại nhận tín hiệu dòng điện (4..20 mA). Nếu cảm biến tạo ra
tín hiệu analog là điện áp (0..5V) thì phải sử dụng ngõ vào analog nhận tín hiệu là điện
áp (0..5V).
b. Khối ra
Khối này có nhiệm vụ khuếch đại các tín hiệu sau xử lý của CPU (được gởi đến
vùng đệm ra) cung cấp cho đối tượng điều khiển là cuộn dây, đèn báo, van từ …
Tùy thuộc vào đối tượng điều khiển nhận tín hiệu dạng nào mà sẽ có các khối ra tương
ứng. Gồm có hai loại khối ra tiêu biểu:
• Khối ra số (DO: Digital Output):
Các ngõ ra của khối này được kết nối với các đối tượng điều khiển nhận tín hiệu
nhị phân như đèn báo, cuộn dây relay...Vì đối tượng điều khiển nhận tín hiệu nhị phân
sử dụng nhiều cấp điện áp khác nhau nên khi sử dụng các khối ra số cần phải chú ý
đến điện áp cung cấp cho nó có phù hợp với điện áp cung cấp cho đối tượng điều



khiển hay không. Theo loại điện áp sử dụng, ngõ ra số được phân thành hai loại:
- Điện áp một chiều (DC: Direct Current): Gồm có hai loại ngõ ra là Transistor
và relay. Thông thường trong công nghiệp điện áp một chiều được sử dụng là 24V.
- Điện áp xoay chiều (AC: Alternative Current): Gồm có hai loại ngõ ra là relay và
TRIAC.
• Khối ra tương tự (AO: Analog Output):
Khối này có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số được gửi từ CPU đến đối tượng điều
khiển thành tín hiệu tương tự. Các ngõ ra của khối này được kết nối với các đối
tượng điều khiển nhận tín hiệu tương tự như ngõ vào analog của biến tần, van tỷ lệ,...
Khi sử dụng các ngõ ra tương tự cần chú ý đến loại tín hiệu tương tự cung cấp cho đối
tượng điều khiển có phù hợp với tín hiệu tương tự mà đối tượng điều khiển cần nhận
hay không.
Ví dụ: Ngõ vào analog của biến tần nhận tín hiệu là điện áp (0..10V) thì nhất
thiết phải sử dụng ngõ ra tương tự tạo ra tín hiệu analog là điện áp (0..10V).
1.1.3.4. Các khối đặc biệt
Ngoài ra còn có một số khối khác đảm nhận các chức năng đặc biệt như xử lý
truyền thông, thực hiện các chức năng đặc biệt như: điều khiển vị trí, điều khiển
vòng kín, đếm tốc độ cao .v.v...
Tùy thuộc vào từng loại PLC mà các khối trên có thể ở các dạng module riêng
hoặc được tích hợp chung trong khối xử lý trung tâm (CPU).
1.1.4. Phương thức thực hiện chương trình trong PLC
Hình vẽ minh họa việc xử lý chương trình trong CPU được cho như hình 1.5.


Hình 1.5. Chu kỳ quét trong PLC
PLC thực hiện chương trình cheo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng
quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng
vào số tới vùng bộ đệm ảo ngõ vào (I), tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình.

Trong từng dòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết
thúc. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ
đệm ảo ngõ ra (Q) tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền
thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng
quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào
cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Có vòng quét thực hiện
lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực
hiện, vào khối lượng dữ liệu truyền thông ... trong vòng quét đó.
Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu
điều khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét.
Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình


điều khiển trong PLC. Thời gian quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình
càng cao.
Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp
với 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 do hệ điều hành CPU quản lý. Ở một
số module CPU, 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 trực tiếp với cổng vào/ra.
1.2. Tổng quan về S7-200, S7-300
1.2.1. Tổng quan về S7-200
1.2.1.1. Giới thiệu chung về họ S7-200
PLC S7–200 là thiết bị điều khiển logic lập trình cỡ nhỏ của hãng SIEMENS –
Cộng hoà liên bang Đức, có cấu trúc kiểu modul và CPU các modul mở rộng. Các
modul này được sử dụng cho nhiều các ứng dụng lập trình khác nhau.
Thành phần cơ bản của S7–200 là khối vi xử lý CPU 212, CPU 214 hay CPU 216.
Về hình thức bên ngoài, sự khác nhau giữa các loại CPU này nhận biết được nhờ đầu
vào ra và nguồn cung cấp.

- CPU 212 có 8 cổng vào và 6 cổng ra và có khả năng mở rộng thêm bằng 2 modul
mở rộng. CPU 214 có 14 cổng vào và 10 cổng ra và có khả năng mở rộng thêm bằng
7 modul mở rộng. CPU 216 có 24 cổng vào và 16 cổng ra và có khả năng mở rộng
thêm bằng 14 modul mở rộng.

Hinh 1.6. Bộ PLC S7-200


23

1.2.1.2. Cấu trúc chung của họ PLC S7-200
1.2.1.2.1. Cấu hình cứng
Để thực hiện được 1 chương trình điều khiển, PLC có khả năng như một máy tính
, nghĩa là nó có một bộ vi xử lý ( CPU : Center Processing Unit), một hệ điều hành,
một bộ nhơ sđể lưu giữ chương trình, dữ liệu và các cổng vào ra để giao tiếp với các
thiết bị điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó,
nhằm phục vụ các bài toán điều khiển số, PLC còn có thêm các chức năng đặc biệt như
bộ đếm, bộ thời gian và các khối hàm chuyên dụng.
Phần cứng có 1 bộ điều khiển khả trình PLC được cấu tạo thành các modul. Một
bộ PLC thường có các modul sau :
- Modul nguồn (PS)
- Modul bộ nhớ chương trình.
- Modu đơn vị xử lý trung tâm (CPU)
- Modul đầu vào, ra.
- Modul ghép nối.
- Modul chức năng phụ.
CPU
Bộ nhớ chương trình

Khối xử lý trung tâm và

hệ điều hành
Bộ đệm vào ra

Bộ định thời gian
Bộ đếm
Bít cờ

Cổng vào ra onboard

Quản lý ghép nối

Cổng ngắt và đếm tốc độ
cao
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>
Hình 1.7. Sơ đồ cấu trúc bên trong PLC của hãng SIEMENS