MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU

2

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG.
I.

II.

Bộ vi xử lý trung tâm PLC S7-1200.
I.1.
Tổng quan về PLC S7-1200.
I.2.
Cấu tạo của PLC S7-1200.
I.3.
Nguyên lý hoạt động.
Cảm biến nhiệt độ.

3
3
4
5

2.1: Cặp nhiệt điện Thermocouple

6

2.2: RTD (Thermal Resistor)

8

2.3: Thermitor(thermally sensitive resistor)

9

2.4: IC cảm biến

11

2.5: Phương pháp điều khiển nhiệt độ

12

CHƯƠNG II: LẬP TRÌNH PLC S7-1200 VÀ MƠ PHỎNG WINCC.
1.
2.

LẬP TRÌNH PLC S7-1200
MƠ PHỎNG TRÊN WINCC

14
18

Lời nói đầu
1


Thuật ngữ PLC đã trở nên khá quen thuộc với những người trong chuyên ngành
điện, trong các hệ thống điều khiển, vận hành, …Nó là một bộ điều khiển chuyên dụng
được thiết kế cho các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao, dễ lập trình và chẩn đốn lỗi phức

tạp. PLC ngày càng đa dạng về chủng loại, công dụng giúp cho người dùng có thể dễ
dàng sử dụng và chọn lựa, được xem là một lựa chọn tốt nhất cho các hệ thống điều khiển
nhỏ, gọn, tiết kiệm về chi phí cho người dùng.
Hơn nữa, hầu như đối với tất cả các lĩnh vực không chỉ riêng trong cơng nghiệp,
cơng ty, nhà máy, xí nghiệp…mà cả hộ gia đình các thiết bị điều dùng tới điện, chính vì
vậy cần phải có một hệ thống điện đảm bảo an tồn nhất cho người dùng như các thiết bị
đóng cắt và bảo vệ thì tủ điện hay bảng điện là lựa chọn nhất cho người sử dụng. Nó là
nơi đấu nối, phân phối điện, đảm bảo cách ly những thiết bị mạng điện với người sử dụng
điện trong quá trình vận hành và bảo trì điện
Và xuất phát từ những sự phát triển đó nhóm em đã nghiên cứu và chọn đề
tài:“ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT ĐỘ ”
Đề tài này giúp chúng em hiểu rõ hơn về PLC, về những ứng dụng của PLC và tầm
quan trọng của nó, về cách điều khiển – lập trình, cách thức hoạt động của một lò điều
khiển nhiệt độ.

Chương I: Giới thiệu về phần cứng
2


I/ Bộ vi xử lý trung tâm PLC S7-1200
1.1: Tổng quan về PLC7-1200
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình
được cho phép thực hiện linh hoạt các thực toán điều khiển logic thong qua một
ngơn ngữ lập trình. người sử dụng có thể lập trình để thực hiện mơt loạt trình tự các
sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào plc
hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định kì hay thời gian được đếm. Một
khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF các 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 dung dây nối, người ta đã
chế tao bộ điều khiển plc nhẳm thoả mãn các yêu cẩu sau:
+ Lập trình dễ dàng, ngơn ngữ lập trình dễ học
+ Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa
+ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp
+ Hồn tồn tin cậy trong mơi trường công nghiệp
+ Giao tiếp được với các thiết bị thơng minh khác như máy tính, nối mạng, các
module mở rộng
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay cho các phần cứng Relay dây nối và các
logic thời gian. Tuy nhiên bên canh đó việc địi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và
tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí cũng như giá cả….
Chính điều này đã tạo ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công
nghiệp, các tập lệnh nhanh chống đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm,
định thời, thanh ghi dịch…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 và sử lí hệ thống, chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác
3


định bằng một chương trình. Chương trình này sẽ được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC,
PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này. Như vậy nếu
muốn thay đổi hay mở rộng chức năng cửa quy trình cơng nghệ. Ta chỉ cần thay đổi
chương trình bên trong bộ nhớ 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 hay Replay.

1.2: Cấu tạo của PLC S7-1200
Các thành phần của PLC S7 -1200 bao gồm:
– 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại trong các phiên bản khác nhau giống như

điều khiển AC, RELAY hoặc DC phạm vi rộng
– 2 mạch tương tự và số mở rộng ngõ vào/ra trực tiếp trên CPU làm giảm chi phí sản
phẩm
– 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau bao gồm (module SM và SB)
– 2 module giao tiếp RS232/RS485 để giao tiếp thông qua kết nối PTP
– Bổ sung 4 cổng Ethernet
– Module nguồn PS 1207 ổn định, dòng điện áp 115/230 VAC và điện áp 24 VDC
Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng , tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ
chương trình khác nhau,…
- Cấu trúc:
Tất cả PLC đều có thành phần chính là một bộ nhớ chương trình RAM bên
trong, một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC, các
module I/O.
Bên cạnh đó, một số PLC hồn chỉnh cịn đi kèm theo một 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 trinh dưới dạng hồn thiện hay bổ sung. Nếu đơn vị lập trình
là đơn vị sách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương
4


trình đã được kiểm tra và sẵn sang sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đối
với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho viết, đọc và kiểm
tra chương trình. Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422,

1.3: Nguyên lý hoạt động
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 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 hoat động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương
trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.

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 tới các module khác nhau
+ Data bus:bus dùng để truyền dữ liệu
+ Control bus:bus điều khiển dung để truyen các tín hiệu định thì và điều khiển
đồng bộ các hoạt động trong PLC.
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O.
Bên cạnh đó CPU được cung cấp một xung clock có tần số từ 1, 8 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.

II/ Cảm biến nhiệt độ
2.1: Cặp nhiệt điện Thermocouple
2.1.1 : Cấu tạo và nguyên lý đo
5


Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn lại ở 1 đầu được gọi là đầu nối nóng, hai
đầu còn lại gọi là đầu nối lạnh (đầu nối chuẩn).
Theo hiệu ứng Seebeck, khi có chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng hay đầu lạnh thì phát
sinh suất điện động giữa hai đầu lạnh, hai đầu lạnh đặt cùng nhiệt độ To:
V= a+b. ∆T+c. ∆T
∆T = T – To
Trong đó: T là nhiệt đo được.
To là nhiệt độ đầu lạnh.
Từ công thức trên ta thấy quan hệ giữa V và ∆ T là phi tuyến. Nhưng khi sử dụng tầm đo
hẹp có thể tuyến tính hố đặc tính cặp nhiệt điện theo biểu thức:
V = k. ∆.T
Với k là hệ số nhiệt đơn vị μV/0C


2.1.2 : Một số loại cặp nhiệt thông dụng
Cặp nhiệt

Vật liệu cấu tạo

Hệ số nhiệt k (µV/oC)

Loại J

Sắt-Constantan

52.3

Loại K

Chromel-Alumel

40.0

Loại S

Platinum-Rhodium

6.4

Loại T

Đồng-Constantan

42.8


Bảng 2.1: Phân loại cặp nhiệt điện
Nếu dây cặp nhiệt không được dài và ta phải sử dụng dây đồng để nối đến dụng cụ
đo thì số chỉ của dụng cụ đo là hiệu số giữa nhiệt độ đo T và nhiệt độ chỗ nối To, nhiệt độ
To thường là không ổn định.
Để khắc phục ta nên dùng dây nối dài cùng loại với vật liệu cặp nhiệt để bù trừ nhiệt độ
To, lúc này ta có:
6


V= k( To – T1 )
Với nhiệt độ T1 : nhiệt độ môi trường đặt dụng cụ đo và T1 ổn định và đo được.
Điện áp từ cặp nhiệt điện là khá nhỏ vì thế ta phải khuếch đại lên nhiều lần để đo được
điện áp đó ngồi ra cần có thiết bị đo nhiệt độ đầu lạnh để bù trừ

2.1.3 : Ưu và nhược điểm của thermocouple
- Ưu điểm :
+ Là thành phần tích cực, tự cung cấp cơng suất
+ Đơn giản, dễ sử dụng, giá thành thấp
+ Tầm đo nhiệt rộng
+ Bền, đo nhiệt độ cao
-Nhược điểm :
+ Độ tuyến tính kém
+ Bị ảnh hưởng nhiều từ các tác động môi trường nên sai số lớn
+ Kém nhạy
+ Kém ổn định
+ Đòi hỏi điện áp tham chiếu

2.1.4 : Bù nhiệt độ mơi trường
Khi dùng thermocouple thì giá trị hiệu điện thế thu được bị ảnh hưởng bởi 2 loại

nhiệt độ: nhiệt độ cần đo và nhiệt độ tham chiếu. Cách gán 0oC cho nhiệt độ tham chiếu
thường chỉ làm trong phịng thí nghiệm để rút ra các giá trị của thermocouple. Trong thực
tế thì nhiệt độ tham chiếu thường là nhiệt độ của môi trường nơi mạch hoạt động nên
khơng thể biết được chính xác nhiệt độ này là bao nhiêu vì thế vấn đề bù trừ nhiệt độ
được đặt ra để làm sao ta thu được hiệu điện thế một cách chính xác (chỉ phụ thuộc vào
nhiệt độ cần đo).

7


Bù nhiệt mơi trường là ta phải có thành phần cho phép xác định nhiệt độ mơi
trường rồi từ đó tạo ra một giá trị để bù lại giá trị tạo ra bởi thermocouple chứ không thể
bù nhiệt bằng cách ước lượng nhiệt độ môi trường rồi khi đọc giá trị hiệu điện thế thì trừ
đi giá trị mà ta đã ước lượng bởi vì:
+ Nhiệt độ mơi trường thay đổi 1 cách thường xuyên, không xác định trước
+ Ở những nơi khác nhau thì nhiệt độ mơi trường khác nhau

2.2: RTD (Thermal Resistor)

Hình 2.2: Cấu tạo RTD
Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được
quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim
loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt
độ nhất định. Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum. Platinum
có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được rộng. Thường có các
loại: Pt100, Pt200, Pt500, Pt1000. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao. RTD
thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây.
Nguyên lý làm việc của nhiệt kế (RTD) là dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt
độ của các vật liệu dẫn điện. Lợi dụng tính chất này người ta xác định thông số nhiệt độ
thông qua giá trị điện trở đo được.Thường dùng cho các ứng dụng như: Lị nhiệt, mơi

trường khắt nghiệt, đo nhiệt độ nhớt máy nén,…
Trong trường hợp tổng quát, giá trị của một điện trở phụ thuộc nhiệt độ như sau:
R (T ) = RoF(T-To)
R(T)= Ro(1 +αT)
Trong đó:

α =0.00391
8


R0 là điện trở đo được ở nhiệt độ T
F là hàm đặt trưng bởi vật liệu
- Ưu điểm:
+ Ổn định nhất.
+ Chính xác nhất.
+ Độ tuyến tính cao
+ Ít bị ảnh hưởng bởi các tác nhân môi trường.
- Nhược điểm:
+ Giá thành cao.
+ Cần phải cung cấp nguồn dòng.
+ Lượng thay đổi ∆R.
+ Tự gia tăng nhiệt
2.3: Thermitor(thermally sensitive resistor)

Hình 2.3: Một số loại Thermitor

9


Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột oxít kim loại: mangan, nickel, cobalt,

…. Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và
nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay
đổi.
Có hai loại thermistor: loại hệ số nhiệt dương PTC - điện trở tăng khi nhiệt độ tăng và
loại hệ số nhiệt âm NTC - điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Thường dùng nhất là loại
NTC. Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150 độ C. Do vậy
người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ,
ngắt nhiệt. Và loại này thì thường được dùng làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây
động cơ, mạch điện tử.
- Ưu điểm:
+ Ngõ ra có giá trị lớn
+ Đáp ứng nhanh
+ Bền
+ Rẻ tiền
+ Dễ chế tạo
- Khuyết điểm:
+ Phi tuyến
+ Giới hạn tầm đo nhiệt
+ Dễ vỡ
+ Cần phải cung cấp nguồn dòng.
+ Tự gia tăng nhiệt

2.4: IC cảm biến

10


Hình 2.4 : Cấu tạo cảm biến IC bán dẫn

Cảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán

dẫn. Có các loại như Diode, Transistor, IC. Nguyên lý hoạt động của chúng là dựa trên
mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ mơi trường. Ngày nay với sự
phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự
tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch
điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,….Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode
( hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45. Nguyên lý của
chúng là nhiệt độ thayđổi sẽ cho ra điện áp thay đổi. Điện áp này được phân áp từ một
điện áp chuẩn có trong mạch.Thường dùng: Đo nhiệt độ khơng khí, dùng trong các thiết
bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.
- Ưu điểm:
+ Tuyến tính nhất
+ Ngõ ra có giá trị cao nhất
+ Rẻ tiền
+ Dễ chế tạo
11


+ Độ nhạy cao, chống nhiễu tốt
+ Mạch xử lý đơn giản
- Khuyết điểm:
+ Nhiệt độ đo dưới 2000C
+Dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao
+ Cần cung cấp nguồn cho cảm biến
+ Loại cảm biến này kém chịu đựng trong mơi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có
tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh

2.5: Phương pháp điều khiển nhiệt độ
2.5.1 Điều khiển ON-OFF
Sơ đồ điều khiển:
- Sơ đồ điều khiển lò nhiệt bằng phương pháp ON-OFF được thể hiện qua hình dưới:


Hình 2.5: Sơ đồ điều khiển lò nhiệt
- Nguyên lý làm việc:
Phương pháp điều khiển ON-OFF cịn được gọi là phương pháp đóng ngắt hay
dùng khâu relay có trễ: cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung cấp năng lượng ở mức
tối đa cho thiết bị tiêu thụ điện năng (lò nhiệt) nếu nhiệt độ đặt w(k) lớn hơn nhiệt độ đo
y(k), ngược lại mạch điều khiển sẽ ngắt mạch không tiếp tục cung cấp điện năng cho lò
nữa khi nhiệt độ đặt w(k) nhỏ hơn nhiệt độ đo y(k).Một vùng trễ được đưa vào để hạn
chế tần số đóng ngắt như sơ đồ khối ở trên: nguồn chỉ đóng khi sai số e(k) > ∆ và ngắt
12


khi e(k) < - ∆. Như vậy, nhiệt độ đo y(k) sẽ dao động quanh giá trị đặt w(k) và 2∆ còn
được gọi là vùng trễ của rơ le. Khâu rơle có trễ cịn gọi là mạch so sánh Smith trong
mạch điện tử và như vậy ∆ là giá trị thềm hay ngưỡng.
- Đặc tính của phương pháp điều khiển ON-OFF cho bởi hình dưới:

Hình 2.6: Đặc tính điều khiển của điều khiển ON – OFF
- Điều khiển ON-OFF có ưu điểm là:
+ Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống luôn hoạt động được với mọi tải
+ Tính tốn thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng
+ Điều khiển ON-OFF tốt nhất cho hệ thống điều khiển khi nhiệt độ tăng lên chậm
và sai phân G giữa cân bằng nhiệt khi ngõ ra là ON và khi ngõ ra OFF là nhỏ
Nhưng có nhược điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động quanh nhiệt
độ đặt và thay đổi theo tải. Khuyết điểm này có thể được hạn chế khi giảm vùng trễ bằng
cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử ở mạch công suất.

13



CHƯƠNG II: LẬP TRÌNH PLC
S7-1200 VÀ MƠ PHỎNG WINCC
1.

LẬP TRÌNH PLC S7-1200.
Chương trình chính Main (OB1):

14


Hàm FC1:
Khâu so sánh giá trị nhiệt độ nếu nhiệt độ lớn hơn 600 °C thì tắt hệ thống gia nhiệt,
cịn nếu nhiệt độ nhỏ hơn 400 °C thì bật hệ thống gia nhiệt.

15


Hàm FC3: Giả lập tăng giảm nhiệt độ

16


17


2.

MÔ PHỎNG TRÊN WINCC.

18