TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
---------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
GIÁM SÁT MỨC NƯỚC SỬ DỤNG PLC S7-300
VÀ MÔ PHỎNG TRÊN WINCC

Giảng viên hướng dẫn : ThS. Tạ Hùng Cường
Cán bộ phản biện

: ThS. Phạm Hoàng Nam

Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Quang Tiến

MSSV

: 135D5103010096

Lớp

: 54K2 - CNKT Điện, Điện tử

Vinh, tháng 01 năm 2018

LỜI NÓI ĐẦU
***
Khoa học kỹ thuật đang thay đổi từng ngày, từng giờ và chúng ta - những con
người của kỹ thuật cũng phải thay đổi tầm nhìn của mình để theo kịp công nghệ hiện
đại. Trọng tâm của khoa học kỹ thuật trong nền văn minh công nghiệp này đặt vào 5
lĩnh vực chính đó là cơng nghệ thơng tin, công nghệ vật liệu, công nghệ năng lượng,
công nghệ sinh học và công nghệ tự động. Từ khi bộ điều khiển lập trình PLC đầu tiên
ra đời từ ý tưởng của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor năm 1968, nó đã tạo
nên một bước ngoặc mới cho sự phát triển của tự động hóa trong cơng nghiệp. Sự xuất
hiện của bộ điều khiển logic khả trình PLC đã dần thay thế những mạch điều khiển bằng
rơ le và thiết bị rời rạc, cồng kềnh.
Nhằm ứng dụng các kiến thức đã được trang bị trong quá trình học tập mơn học
Điều Khiển Lập Trình do thầy giáo Ths: Tạ Hùng Cường giảng dạy để áp dụng áp dụng
vào Đồ án Tốt Nghiệp, em đã lựa chọn đề tài “thiết kế hệ thống điều khiển giám sát
mức nước sử dụng PLC S7 và mô phỏng trên WinCC”. Nội dung chính của hệ thống
là xử lý tín hiệu từ phao nước báo chất mức chất lỏng để từ đó đo mức nước trong bồn
nước, điều khiển hoạt động của hệ thống bơm nhằm mục đích ổn định mức chất lỏng
trong bồn chứa. Hệ thống này có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống như hệ
thống bồn nước cho những tòa nhà cao tầng tân tiến, hệ thống pha trộn nguyên liệu chất
lỏng, các trạm chứa nước cung cấp cho sinh hoạt và sản xuất.
Mặc dù, em đã cố gắng hoàn thành đề tài đặt ra nhưng chắc chắn sẽ khơng tránh
khỏi những thiếu sót, mong các Thầy và các bạn thông cảm. Em mong nhận được những
ý kiến đóng góp từ Thầy và các bạn.

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Quang Tiến


NHẬN XÉT
(Của giảng viên hướng dẫn)

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................



NHẬN XÉT
(Của giảng viên phản biện)
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................



MỤC LỤC
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC ............................ 1
1.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 1
1.2. Hệ thống điều khiển mức và nguyên lý làm việc ....................................... 2
1.2.1. Các loại cảm biến đo mức nước báo đầy, báo cạn ............................... 2
1.2.2. Điều khiển mức nước bằng cảm biến mức ........................................... 6
1.3. Hệ thống bơm cấp nước cho tòa nhà hiện nay ............................................ 7
1.4. Mục đích nghiên cứu................................................................................. 10
1.5. Phạm vi và hướng giải quyết của đề tài .................................................... 10
1.6. Kết quả nghiên cứu ................................................................................... 11
CHƯƠNG II. BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH PLC VÀ PHẦN MỀM
MƠ PHỎNG WINCC ......................................................................................... 12
2.1. Giới thiệu về bộ điều khiển logic khả trình PLC ...................................... 12
2.1.1. Lịch sử phát triển của PLC ................................................................. 12
2.1.2. Cấu tạo của họ PLC- S7-300 .............................................................. 12
2.1.3. Các khối chức năng của PLC- S7-300 ................................................ 13
2.2. Các lệnh lập trình trong Step 7 ................................................................. 15
2.2.1. Nhóm lệnh logic tiếp điểm ................................................................. 15
2.2.2. Lệnh về timer ...................................................................................... 17
2.2.3. Bộ đếm Counter .................................................................................. 19
2.3. WinCC – Phần mềm giám sát hệ thống .................................................... 24
CHƯƠNG III. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT MỨC NƯỚC
SỬ DỤNG PLC S7-300 VÀ MÔ PHỎNG TRÊN WINCC ............................... 31
3.1. Yêu cầu công nghệ bài toán ...................................................................... 31
3.2. Sơ đồ đấu nối trên PLC S7-300 (bản vẽ Cad) .......................................... 36
3.3. Các thiết bị dùng trong hệ thống ............................................................... 37
3.4. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm WINCC ............................................ 39
3.5. Chương trình Step 7 .................................................................................. 46

3.6. Kết quả thực hiện ...................................................................................... 47
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 49


CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC
1.1. Đặt vấn đề
Sự phát triển không ngừng của xã hội mà động lực chính là cuộc cách mạng về
khoa học cơng nghệ 4.0 đã tạo ra nhiều máy móc, thiết bị phục vụ cho con người. Nhu
cầu của chúng ta là vơ hạn nên máy móc cũng khơng ngừng phát triển để đáp ứng kịp
nhu cầu đó. Trong ngành cơng nghiệp tự động hóa, điều khiển thiết bị theo yêu cầu có
sẵn, thiết bị được lập trình sẵn, thiết bị hoạt động dựa vào các tín hiệu phản hồi ngày
càng được áp dụng rộng rãi. Điều đó giúp giảm bớt sức lao động và tăng năng suất, chất
lượng cho sản phẩm và bảo vệ sức khỏe của người lao động.
Phương pháp đo thủ cơng truyền thống và nó có nhiều hạn chế như vật liệu của
thiết bị có thể bị ăn mịn, chịu sự tác động của mơi trường; con người phải tiếp xúc trực
tiếp với mơi trường đo; có thể xảy ra tình trạng cháy, nổ dễ rị rỉ chất lỏng qua nắp, và
cặn của chất lỏng có thể hạn chế tầm nhìn. Do có q nhiều hạn chế, nên thiết bị này
nhanh chóng bị các thiết bị cơng nghệ tiên tiến hơn thay thế.
Một thiết bị đo mức khác dựa vào trọng lực, đó là thước đo kiểu phao. Một chiếc
phao đơn giản được thả nổi trên bề mặt chất lưu. Chiếc phao này chịu sự tác động từ lực
của chất lưu và khơng khí phía trên làm nó nổi trên bề mặt và dao động theo mức chất
lưu. Bên cạnh đó, một thiết bị khác cũng được sử dụng rộng rãi để xác định mức chất
lưu đó là đầu đo thủy tĩnh.
Trên đây là những thiết bị đo mức đơn giản, đã quen thuộc với người sử dụng.
Nhưng khi xuất hiện những nguyên tắc và ứng dụng đo mức trở nên phức tạp hơn, thì
đây là lúc ngành cơng nghiệp đo mức chuyển mình với sự ra đời của những cơng nghệ
mới sử dụng máy tính để tính tốn.
Chính vì vậy khi mà nhiều nhà máy, khu cao ốc nhà cao tầng mọc lên càng nhiều.
Nhu cầu sử dụng nước sinh hoạt rất lớn và luôn thay đổi thường xuyên. Do đó, ở những
nơi đó cần có một hệ thống máy bơm nước luôn đảm bảo được nguồn nước cung cấp

sinh hoạt và cũng như bơm nước thải. Việc quy hoạch cấp nước địi hỏi tính kỹ thuật
cao, nhất là ln đảm bảo mọi người có đủ nước sinh hoạt tại mọi thời điểm. Và rủi ro
mất nước từ nhà cung cấp thì vẫn có nước để mọi người sử dụng, ít nhất là trong 1 ngày
đêm. Thời gian này để nhà cung cấp khắc phụt tình trạng sự cố, ta nên sử dụng thêm
bồn nước dự trữ dưới tầng hầm hoặc trên mái nhà. Như vậy cần có 1 giải pháp tổng thể
để có thể quản lý được hệ thống bơm cấp nước cho những tòa nhà lớn, yêu cầu thiết yếu

1


đầu tiên là tính tiện nghi của hệ thống để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt của con người, yêu
cầu thứ hai là hệ thống có thể quản lý, giám sát, vận hành qua màn hình máy tính chủ.

1.2. Hệ thống điều khiển mức và nguyên lý làm việc
1.2.1. Các loại cảm biến đo mức nước báo đầy, báo cạn
 Cảm biến báo mức siêu âm không hiển thị
Đây là loại cảm biến được sử dụng khá nhiều trong các ứng dụng đo mức với độ
chính xác cao. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sẽ phóng một tia sóng siêu âm từ đầu
cảm biến xuống, sóng siêu âm khi gặp chất lỏng sẽ phản hồi lại. Dựa vào sóng siêu âm
phản hồi lại cảm biến xác định được khoảng cách từ đầu cảm biến tới mức nước. Tín
hiệu ngõ ra của cảm biến siêu âm là tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10V nên chúng ta dể dàng
cài đặt cũng như kết nối với PLC.
Cảm biến báo mức nước bằng siêu âm cũng có những nhược điểm nhất định. Do
cơ chế hoạt động dựa trên việc truyền và nhận lại sóng siêu âm nên cảm biến siêu âm
rất nhạy cảm với bề mặt. Cụ thể là bọt khí cũng làm giảm độ chính xác của cảm biến.
Hay vị trí lắp đặt khơng đúng thì cảm biến cũng bị ảnh hưởng.

Hình 1.1. Cảm biến đo mức nước liên tục bằng siêu âm không hiển thị ULM-53.

2



Hình 1.2. Cảm biến đo mức nước bằng sóng siêu âm của hãng Carlo Gavazzi.
 Cảm biến báo mức siêu âm có hiển thị
Cảm biến đo mức bằng sóng siêu âm khơng có hiển thị thì loại có hiển thị sẽ có
nhiều ưu điểm hơn: hiển thị được khoảng cách, khối lượng, thể tích. Một ưu điểm của
cảm biến siêu âm có hiển thị nữa là việc cài đặt giá trị đo mong muốn dể dàng và chính
xác hơn rất nhiều so với loại cảm biến siêu âm khơng có hiên thị.
Tín hiệu ngõ ra của cảm biến đo mức siêu âm cũng là tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10V
chuẩn. Option thì có truyền thơng Modbus.

Hình 1.3. Cảm biến đo mức nước liên tục bằng siêu âm có hiển thị ULM-70.

3


 Cảm biến đo mức chất lỏng trong bình nhựa và kính
Để báo được mức trong các vật liệu nhựa và kính trong các bình chứa có kích
thước nhỏ thì hầu như rất ít thiết bị có thể đo được. Cảm biến đo mức nước FLD-48 có
thể lắp được trên bình dạng thẳng đứng và bề mặt cong. Với chất lỏng dẩn điện thì cảm
biến có thể báo mức chất lỏng với độ dày của bề mặt nhựa hoặc kính là 8mm

Hình 1.4. Cảm biến đo mức chất lỏng trong bình nhựa và kính.
 Cảm biến báo mức chất lỏng dạng điện dung
Đối với cảm biến báo mức nước dạng điện dung thì có độ chính xác khá cao vì khi
chất lỏng chạm vào đầu cảm biến thì cảm biến sẽ xuất tín hiệu xung dạng relay. Khi mục
tiêu cần phát hiện di chuyển đến gần đầu phát hiện của cảm biến sẽ làm điện dung của
tụ điện C thay đổi (cấu tạo bởi 1 bản cực là bề mặt đầu thu và bản cực cịn lại chính là
đối tượng cần phát hiện). Khi điện dung của tụ điện thay đổi thì mạch dao động sẽ tạo
ra tín hiệu dao động. Khi tín hiệu dao động có biên độ lớn hơn một ngưỡng đặt trước thì

mạch phát hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng thái ON. Khi đối tượng ở xa cảm
biến, biên độ tín hiệu ở mạch dao động sẽ nhỏ, mạch phát hiện mức sẽ điều khiển mạch
ra ở trạng thái OFF.

Hình 1.5. Cảm biến đo mức chất lỏng dạng điện dung.

4


Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận loại điện dung:
 Phát hiện mức chất lỏng bên trong chai từu bên ngoài.
 Phát hiện sữa bên trong hộp giấy.
 Đếm sản phẩm.
 Phát hiện vị trí của vật.

Hình 1.6. Cảm biến điện dung phát hiện chất lỏng trong chai thủy tinh.
 Cảm biến đo mức dạng điện cực
Cảm biến vô cùng đặc biệt với các que điện cắm vào trong bể. Phần lớn cảm biến
đo mức nước ở dạng điện cực dùng điều khiển bơm nước vào hoặc ra khỏi bể. Khi bể
đầy hoặc cạn. Theo đó, cảm biến có que cắm điện có độ dài khác nhau, que thứ 3 dài
nhất vừa làm chuẩn cho 2 que còn lại, vừa phải so sánh điện trở. Khi điện trở xuống
mức que thứ 2, khi đó, điện trở giữa các que có sự chênh lệch đáng kể. Ngay lúc đó,
cảm biến sẽ điều khiển bơm cho nước vào. Còn ngược lại khi nước dâng cao lên que thứ
nhất, bộ điều khiển sẽ tự động đo điện trở giữa que số 2 và số 1. Nếu que số 2 lớn hơn
điện trở que số 1, hệ thống sẽ báo tự động đến cảm biến và ngừng cấp nước. Loại cảm
biến này hoạt động dựa theo nguyên tắc so sánh điện trở giữa các que. Do khơng có điện
áp nên chúng có thể dùng được cả trong môi trường cháy nổ.

5



Hình 1.7. Cảm biến đo mức chất lỏng dạng điện cực.

1.2.2. Điều khiển mức nước bằng cảm biến mức
Nhu cầu về những hệ thống tự động hóa xử lý tinh vi, sự nghiêm ngặt của những
quy chuẩn trong điều khiển quá trình, và những yêu cầu ngày càng khắt khe trong mơi
trường đo mức khiến kỹ sư q trình phải đi tìm những hệ thống đo mức tin cậy hơn,
chính xác hơn. Kết quả đo chính xác cao hơn làm giảm thiểu những khả năng sai lệch
trong quá trình xử lý hóa chất, nâng cao chất lượng của sản phẩm đầu ra, giảm chi phí
và lãng phí trong q trình hoạt động. Những công nghệ đo mức tiên tiến hiện nay có
thể giúp các kỹ sư dễ dàng tìm được thiết bị ưng ý, đáp ứng được những yêu cầu nêu
trên.
Sóng âm là những sóng cơ truyền trong các mơi trường khí, lỏng, rắn. Sóng âm
thanh di chuyển với vận tốc thay đổi theo nhiệt độ và áp suất của môi trường. Tại nhiệt
độ và áp suất tiêu chuẩn v = 300 m /s.
Loại cảm biến này phát ra xung siêu âm. Nếu tồn tại vật thể trong vùng làm việc
của cảm biến sẽ xuất hiện sóng phản xạ về đầu thu. Phần tử cơ bản của loại cảm biến
này là bộ biến âm thường là một thạch anh tạo dao động được bảo vệ bằng một chất
nhựa tổng hợp nhằm chống lại sự ẩm ướt, bụi bẩn và các nhân tố khác của môi trường.
Bộ thu âm thanh sẽ hứng âm đưa tới bộ biến đổi âm thanh thành tín hiệu điện. Tất cả
các thành phần này để trong một vỏ.
Hệ thống gồm 2 bồn (bồn trên và bồn dưới) đặt lệch nhau để tạo áp suất chảy. Bồn
trên có một van điều khiển bằng tay để tạo nhiễu với lưu lượng khác nhau. Mức nước ở
bồn trên được đo bằng một cảm biến siêu âm với ngõ ra analog. Nước được bơm vào
bồn trên bằng một động cơ được điều khiển bằng bộ điều khiển PLC S7-200. Toàn bộ

6


hệ thống được giám sát bằng phần mềm WinCC thông qua một máy tính được kết nối

qua mạng.
Mức nước được đặt từ máy tính qua màn hình giao diện, sau đó hệ thống được cho
phép hoạt động bằng nút nhấn Start từ mơ hình hoặc nút nhấn Start từ màn hình. Hệ
thống được điều khiển liên tục để đảm bảo mức nước bám theo liên tục giá trị đặt.

1.3. Hệ thống bơm cấp nước cho tòa nhà hiện nay
1.3.1. hệ thống bơm cấp nước cho tòa nhà
 Hệ thống cấp nước sạch
Trên đường ống cấp nước chính đặt cảm biến đo áp suất. Khi có sự thay đổi về áp
suất trong đường ống thì cảm biến sẽ truyền tín hiệu về biến tần. Sau đó biến tần nhận
tín hiệu này và so sánh với giá trị áp suất được đặt sẵn. Biến tần dựa vào kết quả so sánh
đó và điều khiển tần số nguồn điện cấp cho máy bơm. Ở bể chứa nước ngầm đặt cảm
biến báo mức nước, nếu mức nước xuống quá thấp không đủ để bơm hoạt động thì cảm
biến báo mức sẽ truyền tín hiệu về biến tần để dừng bơm.
 Hệ thống thoát nước thải
Tương tự như hệ thống cấp nước, bể chứa nước thải cũng có đặt cảm biến báo mức
bùn trong bể. Để đạt hiệu quả cao trong việc thoát nước thải thì nên dùng máy bơm nước
thải Ebara.
 Các yêu cầu để bơm nước cho nhà cao tầng
 Khối lượng nước yêu cầu một ngày, với 8 giờ làm việc là 700 lít.
 Nước cấp cho nhà được dùng vào việc: tắm, giặt, vệ sinh, phun sương …v.v.
 Cột áp đẩy là 10 m.
 Một số vấn đề có thể gặp
Để đáp ứng nhu cầu áp lực nước trong hệ thống luôn đủ khi nhu cầu sử dụng nước
thay đổi bất thường, các máy bơm trong hệ thống luôn làm việc liên tục ở chế độ đầy tải
tương ứng với trường hợp nhu cầu sử dụng nước của hệ thống ở mức cực đại. Tuy nhiên
điều này dẫn đến 1 số bất lợi sau:
 Áp lực nước trong hệ thống đôi khi tăng quá cao không cần thiết, do nhu cầu sử
dụng nước giảm xuống nhưng hệ thống bơm vẫn chạy đầy tải.
 Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ cơ khí, hoặc chi phí đầu tư sẽ

tăng lên (do tăng số lượng bơm) nếu muốn các bơm chạy luân phiên.

7


 Tổn hao điện năng trên hệ thống do động cơ bơm vẫn chạy đầy tải trong khi nhu
cầu sử dụng nước giảm xuống.

1.3.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống bơm cấp nước
Khi hệ thống cấp nước tự động hoạt động, sẽ có một cảm biến áp suất với độ nhạy
cao gắn trên đường ống để phát hiện sự thay đổi của áp suất trên đường ống so với nhu
cầu tiêu thụ nước thay đổi gây ra, sau đó sẽ tuyền tín hiệu thay đổi này về biến tần. Biến
tần sẽ gửi lệnh thay đổi tần số xuống bộ điều khiển tốc độ quay của động cơ máy bơm
và có thể bổ sung thêm hoặc giảm bớt số lượng bơm trong hệ thống. Do đó sẽ ổn định
được áp suất nước trên đường ống.
Trong trường hợp nước quá yếu và để đảm bảo tuổi thọ động cơ người ta sử dụng
thêm bơm tăng áp. Máy bơm tăng áp có các thiết bị auto- reset hoặc cảm biến áp suất sẽ
trả tín hiệu về bộ điều khiển, bộ điều khiển dựa vào các tín hiệu này để điều khiển bơm
áp đóng hoặc mở. Bầu áp liên tục tích áp suất hoặc trả áp suất về đường ống, giúp giảm
tần suất hoạt động của máy bơm nước và kéo dài tuổi thọ hệ thống. Trên đường ống có
gắn van giảm áp để điều chỉnh áp suất phù hợp điều kiện sử dụng.
Trên thị trường hiện nay, dịng máy bơm này có 2 loại phổ biến là máy bơm tăng
áp điện tử và máy bơm tăng áp cơ.

1.3.3. Kết cấu, đặc điểm của máy bơm sử dụng trong hệ thống bơm cấp nước
Máy bơm là một loại máy thủy lực, nhận năng lượng từ bên ngoài (cơ năng, điện
năng, thủy năng...) và truyền năng lượng cho dòng chất lỏng, nhờ vậy đưa chất lỏng lên
một độ cao nhất định hoặc dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống đường ống.

Hình 1.8. Máy bơm trục đứng.


8


Người ta chia máy bơm ra nhiều loại dựa vào những đặc điểm như nguyên lý tác
động của cánh bơm vào dòng nước, dạng năng lượng làm chạy máy bơm, kết cấu máy
bơm, mục đích bơm, loại chất lỏng cần bơm. Trong đó thường dùng đặc điểm thứ nhất
để phân loại máy bơm, theo đặc điểm này máy bơm được chia làm hai loại: máy bơm
trục ngang và máy bơm trục đứng.
 máy bơm trục đứng:
Về cơ bản tất các các máy bơm trục đứng đều có động cơ nằm trên đỉnh của máy
thay vì động cơ nằm ở phần đuôi của máy như các loại bơm trục ngang khác. Điều này
giúp động cơ luôn khô ráo, tránh các trường hợp bị ẩm hay rò rỉ nước từ nguồn nước
bơm, mặc khác động cơ có thể tản nhiệt tốt hơn do vị trí nằm trên cao, thống gió. Cánh
bơm được đặt dưới đáy của bơm, được vận hành bởi động cơ thơng qua một trục nằm
giữa. Tùy vào mỗi dịng bơm, có thể có một cánh hoặc nhiều cánh bơm. Các cánh bơm
được làm bằng inox, nhựa hoặc đồng tùy theo nhu cầu của người sử dụng.

Hình 1.9. Cấu tạo máy bơm trục đứng.
Máy bơm trục đứng hoạt động dựa trên nguyên tắc bơm ly tâm, cánh bơm thường
là cánh kính. Nhờ vậy nên cột áp bơm thường rất cao. Các dịng bơm trục đứng có thiết
kế miệng hút và miệng xả nằm ngang hàng vàn gần nhau, giữ cho lực ly tâm khơng bị
suy giảm trong q trình vận chuyển. Tuy nhiên, lương bơm lại khá thấp so với các dịng
máy bơm cùng cơng suất.
Khác với cấu tạo nằm ngang của dòng bơm trục ngang. Dòng bơm trục đứng có
thiết kế đứng ưu điểm nổi bật là cột áp đẩy nước rất cao nhờ thiết kế thân bơm chứa
nhiều tầng cánh giúp tăng áp lực nước đẩy, loại bơm này thường được sử dụng tại các

9



trạm bơm cấp nước hoặc trạm bơm cứu hỏa dự phịng. Ngồi ra cịn được ứng dụng để
vận chuyển tuần hồn nước trong khu chung cư, các lĩnh vực cơng nghiệp, nông nghiệp
và xây dựng khác như hệ thống tăng áp tưới tiêu trong nơng nghiệp, vì một số dịng bơm
có khả năng đẩy nước lên độ cao trên 250 mét. Ngồi ra, các máy bơm trục đứng có thể
lắp kết hợp với nhau để tạo thành một bộ bơm giúp gia tăng lưu lượng hoặc gắn thêm
bình tích áp để trở thành bộ bơm tăng áp.

1.4. Mục đích nghiên cứu
Em thực hiện đề tài với mục đích sau:
 Củng cố và vận dụng kiến thức đã học: điện tử cơ bản, điện tử cơng suất, điều
khiển lập trình, PLC vào trong thực tế.
 Tìm hiểu về phương pháp điều khiển và nhận tín hiệu Analog từ cảm biến.
 Nâng cao khả năng thi cơng mơ hình thực tế.
 Xây dựng một mơ hình, trên cơ sở đó phát triển thành mơ hình thí nghiệm cho
sinh viên các khóa sau.

1.5. Phạm vi và hướng giải quyết của đề tài
Quan nghiên cứu và điều tra trong thực tế các tòa nhà cao tầng hay trong các xí
nghiệp hiện nay, thì việc quản lý và giám sát hệ thống nước vẫn chưa được quan tâm
đúng mức. Việc áp dụng những khoa học cơng nghệ vào những hê thống này cịn gặp
nhiều khó khăn, một mặt vì chi phí đầu tư ban đầu là khá cao, một mặt vì cần một đội
ngũ thiết kế và vận hành chun nghiệp. Chính vì vậy đề tài mà em nghiên cứu mới chỉ
giải quyết được một bài toán nhỏ là giám sát và điều khiển hệ thống cấp nước trong các
tòa nhà cao tầng.
Đề tài này đã giải quyết được vấn đề trong hệ thống cấp nước ở các tịa nhà cao
tầng đó là khơng kiểm soát được lượng nước ở bồn dự trữ trên mái và trường hợp khơng
có nước sinh hoạt ở các tịa nhà cao tầng, gây bất lợi cho sinh hoạt.
Đề tài này có thể kết hợp với hệ thống cảm biến đo áp suất lưu lượng nước sử dụng
để điều chỉnh công suất hoạt động máy bơm thông qua bộ biến tần.


10


Hình 1.10. Mơ phỏng trên WinCC thơng qua mơ hình đào tạo PLC S7-300.

1.6. Kết quả nghiên cứu
Chế tạo được một mơ hình điều khiển dùng PLC S7-300 và giám sát mức nước
trong bồn qua phần mềm WinCC.
Chương trình điều khiển trên Step 7
Một cuốn báo cáo kết quả thực hiện đề tài.

11


CHƯƠNG II. BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH PLC VÀ PHẦN

MỀM MÔ PHỎNG WINCC
2.1. Giới thiệu về bộ điều khiển logic khả trình PLC
2.1.1. Lịch sử phát triển của PLC
Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được tạo ra từ ý
tưởng của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor, Mỹ vào năm 1968 nhằm để thay
thế những mạch điều khiển bằng Rơ le và thiết bị rời rạc, cồng kềnh. Bộ điều khiển lập
trình được sản xuất thương mại đầu tiên trên thế giới do hãng Modicon sản xuất có tên
là Modicon 084. Các kỹ sư hãng General Motor đã đề ra các chỉ tiêu cho bộ điều khiển
lập trình như sau:
 Dễ lập trình và thay đổi chương trình điều khiển sử dụng thích hợp trong các
nhà máy.
 Cấu trúc dạng module dễ bảo trì và sửa chữa.
 Độ tin cậy lớn trong môi trường sản xuất của nhà máy công nghiệp.

 Dùng linh kiện bán dẫn nên có kích thước nhỏ hơn mạch Rơ le, với chức năng
tương đương.
 Giá thành rẻ, có khả năng cạnh tranh.

2.1.2. Cấu tạo của họ PLC- S7-300
PLC Step 7-300 thuộc họ Simatic do hãng Siemens sản xuất. Đây là loại PLC đa
khối. Cấu tạo cơ bản của loại PLC này là một đơn vị cơ bản (chỉ để xử lý) sau đó ghép
thêm các module mở rộng về phía bên phải, có các module mở rộng tiêu chuẩn.

Hình2.1. Khối PLC S7-300.

12


 Các đèn báo
+ Đèn SF: báo lỗi CPU.
+ Đèn BAF: Báo nguồn ắc qui.
+ Đèn DC 5v: Báo nguồn 5v.
+ Đèn RUN: Báo chế độ PLC đang làm việc.
+ Đèn STOP: Báo PLC đang ở chế độ dừng.
 Công tắc chuyển đổi chế độ
+ RUN-P: Chế độ vừa chạy vừa sửa chương trình.
+ RUN: Đưa PLC vào chế độ làm việc.
+ STOP: Để PLC ở chế độ nghỉ.
+ MRES: Vị trí chỉ định chế độ xố chương trình trong CPU.
Muốn xố chương trình thì giữ nút bấm về vị trí MRES để đèn STOP nhấp nháy,
khi thơi khơng nhấp nháy thì nhả tay. Làm lại nhanh một lần nữa (không để ý đèn STOP)
nếu đèn vàng nháy nhiều lần là xong, nếu khơng thì phải làm lại.

2.1.3. Các khối chức năng của PLC- S7-300

Tuỳ theo quá trình tự động hố địi hỏi số lượng đầu vào và đầu ra ta phải lắp thêm
bao nhiêu module mở rộng cũng như loại module cho phù hợp. Tối đa có thể gá thêm
32 module vào ra trên 4 panen (rãnh), trên mỗi panen ngồi module nguồn, CPU và
module ghép nối cịn gá được 8 các module về bên phải. Thường Step 7-300 sử dụng
các module sau:

Hình 2.2. Các khối module của PLC S7-300
 Module nguồn PS (3 loại: 2A,3A,5A)
 Module ghép nối IM (Intefare Module)
 Module tín hiệu SM (Signal Module):

13


+ Vào số: 8 kênh, 16 kênh, 32 kênh.
+ Ra số: 8 kênh, 16 kênh, 32 kênh.
+ Vào, ra số: 8 kênh vào 8 kênh ra.
+ Vào tương tự: 2 kênh, 4 kênh, 8 kênh.
+ Ra tương tự: 2 kênh, 4 kênh, 8 kênh.
+ Vào, ra tương tự: 2 kênh vào 2 kênh ra.
 Module hàm (Function Module).
+ Đếm tốc độ cao.
+ Truyền thông CP 340, CP340-1, CP341.
 Module điều khiển (Control Module):
+ Module điều khiển PID.
+ Module điều khiển Fuzzy.
+ Module điều khiển rô bot.
+ Module điều khiển động cơ bước.
+ Module điều khiển động cơ Servo.


2.1.4. Cáp truyền thông PLC và PC (MPI)
SIMATIC PC Adapter USB được sử dụng để kết nối một PC tới giao diện MPI/DP
của S7/C7/M7 thơng qua USB.
Mơ hình kết nối:

Hình 2.3. Kết nối PC và PLC thông qua PC Adapter USB.
Một đoạn mạng MPI/DP có thể kết nối lớn nhất là 32 điểm. Và tổng chiều dài của
cáp phải không được vượt quá 50m. Các mạng lưới có thể được kết nối chung lại với
nhau sử dụng các bộ lặp RS – 485, khi đó có thể lên tới 127 điểm kết nối.
Khoảng truyền dữ liệu lớn nhất trong mạng lưới MPI/DP lên tới 12Mbaul.
PC Adapter USB cung cấp khoảng truyền lớn nhất lên tới 1.5 Mbauds.
PC Adapter USB có thể được sử dụng trong mạng MPI và PROFIBUS. Khoảng
cách truyền và tốc độ truyền lại phụ thuộc vào từng loại mạng.

14


Trạng thái kết nối được hiển thị trên PC Adapter USB:

Đèn:
MPI
Nguồn
USB

Hình 2.4. Trạng thái hiển thị PC Adapter USB.
Trong đó đèn báo trạng thái được hiển thị trong bảng sau:
Tên

Màu


Ý nghĩa
Đèn sáng khi PC Adapter USB được kết nối với USB và sự vận hành

MPI

Xanh

hệ thống của PC là bình thường. Đèn led không sáng khi PC đang ở
chế độ standby.
Đèn led nhấp nháy thể hiện đang được chuyển dữ liệu

Nguồn Xanh

Đèn sáng khi PC Adapter USB được cung cấp nguồn cần thiết. Nhấp
nháy khi có lỗi phần cứng được phát hiện.
Đèn sáng khi PC Adapter USB được kết nối với mạng MPI/DP và

USB

Xanh đang được hoạt động. Đèn tắt khi khơng có chương trình được load
tới PC Adapter USB.

2.2. Các lệnh lập trình trong Step 7
Số Timer trong S7_300 phụ thuộc vào loại CPU.
CPU 312: có 128 Timer.
CPU 313 trở lên: có 256 Timer.
Có 2 cách cài đặt giá trị cho Timer:
Cài thông số thời gian trực tiếp: Để cài giá trị trực tiếp cho Timer ta phải thêm kí
tự S5T# trước giá trị đặt. Các kí tự kế tiếp là thông số thời gian muốn cài đặt cho Timer.
Cài đặt thông số thời gian thông qua biến nhớ: Giá trị cài đặt cho timer thông qua

một biến kiểu WORD 16 bits.

2.2.1. Nhóm lệnh logic tiếp điểm
 Lệnh về bit:

15


Tiếp điểm thường mở: Tiếp điểm thường mở sẽ đóng khi ngõ vào PLC có địa chỉ là 1.
I0.0 = 1 thì Q0.0 = 1
I0.0 = 0 thì Q0.0 = 0
Dạng LAD

Dạng STL
I0.0

Q 0.0

LD I0.0
= Q0.0

Tiếp điểm thường đóng: Tiếp điểm thường đóng sẽ mở khi ngõ vào PLC có địa chỉ
là 1.
I0.0 = 1 thì Q0.0 = 0
I0.0 = 0 thì Q0.0 = 1
Dạng LAD

Dạng STL
I0.0


Q0.0

LDN I0.0
= Q0.0

Lệnh Not: Tín hiệu đầu ra là nghịch đảo của tín hiệu đầu vào PLC

Dữ liệu vào ra
Vào: I0.0: BOOL
Ra: Q4.0: BOOL
 Lệnh SET (S) và RESET (R):
Hai lệnh này dùng để đóng và ngắt các điểm gián đoạn đã được thiết kế. Trong
LAD, logic điều khiển dịng điện đóng hay ngắt các cuộn dây đầu ra. Khi dòng điều
khiển đến các cuộn dây thì các cn dây đóng hoặc mở các tiếp điểm. Trong STL, lệnh
truyền trạng thái bit đầu tiên của ngăn xếp đến các điểm thiết kế. Nếu bit này có giá trị

16


bằng 1, các lệnh S hoặc R sẽ đóng ngắt tiếp điểm hoặc một dãy các tiếp điểm (giới hạn
từ 1 đến 255). Nội dung của ngăn xếp không bị thay đổi bởi các lệnh này.
I0.0

Q0.0

I0.0

Q0.0

s


R

5

5

Lệnh SET Bit: Tín hiệu ra Q0.0 = 1 (Q0.0 sẽ được thiết lập ) khi I0.0 = 1.
Lệnh RESET Bit: Tín hiệu ra Q0.0 sẽ bị xóa khi tín hiệu đầu vào I0.0 = 1.
 Bộ nhớ RS: Toán hạng là địa chỉ bit I, Q, M, D, L

Khi I0.0 = 1 và I0.1 = 0 thì M0.0 bị Reset và đầu ra Q4.0 là "0".
Nếu I0.0 = 0 và I0.1 = 1 thì Set cho M0.0 và đầu ra Q4.0 là "1".
Cả hai đầu vào Set và Reset cùng đồng thời =1 thì M0.0 và Q4.0 có giá trị là "1".

2.2.2. Lệnh về timer
S7-300 có 5 kiểu thời gian Timer khác nhau. Tất cả 5 loại Timer này cùng bắt đầu
tạo thời gian trễ tín hiệu kể từ thời điểm có sườn lên của tín hiệu kích vào, tức là khi có
tín hiệu đầu vào U(t) chuyển trạng thái từ logic 0 lên logic 1, được gọi là thời điểm
Timer được kích.
Bên cạnh sườn lên của tín hiệu đầu vào U(t), Timer cịn có thể kích bằng sườn lên
của tín hiệu chủ động có tên là tín hiệu ENABLE nếu như tại thời điểm có sườn lên của
tín hiệu ENABLE, tín hiệu đầu vào U(t) có giá trị là 1.
Từng loại Timer được đánh số từ 0 đến 255 (tùy thuộc vào từng loại CPU). Một
Timer được đặt tên là T(x), trong đó x là số hiệu của Timer (từ 0 đến 255).
 Lệnh S_PULSE:
Nếu I124.0 = 1 Timer được kích chạy, khi I124.0 = 0 hoặc chạy đủ thời gian đặt
2s thì Timer dừng, hoặc có tín hiệu I124.1 thì Timer cũng dừng. Timer chỉ chạy lại khi
có tín hiệu mới từ I124.0 (tức là I124.0 chuyển trạng thái từ 0 lên 1).
Q124.0 = 1 khi Timer đang chạy.


17


MW100 lưu giá trị đếm của Timer theo dạng Integer.
MW102 lưu giá trị của Timer theo dạng BCD.
Chức năng của Timer này là tạo xung có thời gian được đặt sẵn.

 Lệnh S_PEXT:
Timer kích có nhớ, Khi có tín hiệu cạnh lên ở I124.0 Timer T2 chạy, nếu đủ thời
gian đặt Timer dừng.
Trong q trình chạy nếu có tín hiệu mới từ chân I124.0 thì thời gian Timer lại
được tính lại từ đầu.
Trong q trình chạy nếu có tín hiệu I124.1 thì Timer dừng Q124.0 =1 khi Timer
đang chạy.
Các ơ nhớ MW100 và MW102 lưu giá trị hiện thời của Timer theo dạng
Integer và dạng BCD.

 Lệnh S_ODT:
Nếu I124.0 = 1 Timer bắt đầu chạy khi đủ thời gian thì ngưng khi đó ngõ Q124.0
sẽ lên 1 nếu I124.0 vẫn cịn giữ trạng thái 1, khi có tín hiệu I124.1 thì tất cả phải được
Reset về 0. Các ơ nhớ MW100 và MW102 lưu giá trị hiện thời của Timer theo dạng
Integer và dạng BCD.

18


 Lệnh S_ODTS:
Timer kích có nhớ, khi có xung cạnh lên ở I124.0 Timer bắt đầu chạy, ngõ ra
Q124.0 = 1 khi Timer ngưng và chỉ tắt khi có tín hiệu Reset (tín hiệu I0.1).

Trong q trình Timer chạy nếu có sự chuyển đổi tín hiệu từ chân I124.0 thêm 1
lần nữa thì Timer sẽ nhớ và tiếp tục chạy khi hết thời gian lần trước.

2.2.3. Bộ đếm Counter
Nguyên lý hoạt động: Counter thực hiện chức năng đếm tại các sườn lên của các
xung đầu vào. S7-300 có tối đa 256 bộ đếm phụ thuộc vào từng loại CPU, ký hiệu bởi
C(x), trong đó x la số nguyên trong khoảng từ 0 đến 255. Trong S7-300 có 3 loại bộ đếm
thường sử dụng nhất đó là: Bộ đếm tiến lùi (CUD), bộ đếm tiến (CU) và bộ đếm tiến lùi
(CD).
Một bộ đếm tổng qt có thể được mơ tả như hình sau:

19


Trong đó:
CU: BOOL là tín hiệu kích đếm tiến.
CD: BOOL là tín hiệu kích đếm lùi.
S: BOOL là tín hiệu đặt.
PV: WORD là giá trị đặt trước
R: BOOL là tín hiệu xóa
CV: WORD là giá trị đếm ở hệ đếm 16
CV_BCD: WORD là giá trị đếm ở hệ BCD
Q: BOOL là tín hiệu ra
 Lệnh đếm lên xuống S_CUD:
Ngõ vào I124.2 = 1: đưa giá trị đếm vào PV
Khi I124.0 chuyển trạng thái từ 0 lên 1, C0 đếm tăng lên 1.
Khi I124.1 chuyển trạng thái từ 0 lên 1, C0 đếm giảm xuống 1.
Khi cả I124.0 và I124.1 đều chuyển trạng thái thì C0 khơng thay đổi.
Khi I124.3=1 thì C0 bị Reset về 0.
Giá trị bộ đếm hiện thời nằm trong 2 ô nhớ MW100 và MW102 dưới dạng Integer

và dạng BCD, giá trị này có tầm từ 0 – 999.
Ngõ ra Q124.0 = 1 khi giá trị đếm lớn hơn 0.

20