Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh độ sáng trong phòng sử dụng PLCS7 200

Hiểu rõ được về chiếu sáng tiện ích, được sự hướng dẫn tận tình của PGS.TSKH TRẦN HOÀI LINH tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh độ sáng trong phòng s

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-


    -

NGUYỄN VĂN NHƯƠNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘ SÁNG

TRONG PHÒNG SỬ DỤNG PLC S7 - 200

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Điện khí hóa SX Nông nghiệp và Nông thôn

Mã số: 60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH TRẦN HOÀI LINH

HÀ NỘI - 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Văn Nhương

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được

sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo tôi trong suốt thời gian học tập tại trường

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TSKH TRẦN HOÀI LINH đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội cùng quý thầy cô trong khoa Cơ điện đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành khóa học

Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn tới gia đình, ban bè cùng khóa học và đồng nghiệp đã luôn ủng hộ, khích lệ tôi để tôi có thể học tập, nghiên cứu và trưởng thành như ngày hôm nay

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình

và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ LẬP

1.5 Kết luận chương 1 29

CHƯƠNG 2 ÁNH SÁNG VÀ THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG 30

DANH MỤC BẢNG

3.1 Các mức độ rọi đặc trưng cho các khu vực, công việc hoặc các hoạt

3.5 Mô tả thông số kỹ thuật các loại cảm biến tiệm cận cảm ứng từ 57

DANH MỤC HÌNH

3.12 Rèm cuốn bằng motor điện 52

3.18 Sơ đồ nguyên lý tạo tín hiệu điện áp điều khiểnError! Bookmark not defined

3.19 Sơ đồ khối thuật toán điều khiển transistor 1 mở khi độ rọi >500lux 61 3.20 Sơ đồ khối thuật toán điều khiển transistor 2 mở khi độ rọi < 400lux 62

3.24 Sơ đồ khối thuật toán cảm biến khống chế hành trình điều khiển rèm 65

3.28 Thực nghiệm để lấy góc kích của transistor với thiết bị đo ánh sáng

3.30 Sơ đồ khối thuật toán thực nghiệm tác động khi đầu đo độ rọi <400lux 72 3.31 Sơ đồ khối thuật toán thực nghiệm tác động khi đầu đo độ rọi >500lux 73

3.33 Sơ đồ khối thuật toán mối liên hệ giữa độ rọi với rèm và góc mở đèn 74

4.6 Mô phỏng trạng thái khi ngoài trời sáng vừa phải và bắt đầu bật đèn 81 4.7 Mô phỏng trạng thái khi ngoài trời sáng, bật lên rèm kéo lên vừa đủ độ rọi 82

MỞ ĐẦU

1 Mục tiêu, nội dung nghiên cứu đề tài

Chiếu sáng hiện nay đang là một mối quan tâm chung của rất nhiều các kỹ

sư điện, các nhà vậy lý nghiên cứu quang và các phổ quang học, các kỹ thuật viên của các công ty công trình công cộng và các nhà quản lý đô thị, các nhà kiến trúc, xây dựng và mỹ thuật … Trong thời gian gần đây, với sự ra đời của các nguồn sáng hiệu suất cao, kỹ thuật chiếu sáng đã chuyển từ giai đoạn chiếu sáng tiện nghi sang chiếu sáng tiện ích

Chiếu sáng tiện ích là chiếu sáng hiệu quả, tiết kiệm năng lượng Đây là một giải pháp tổng thể nhằm tối ưu hóa toàn bộ kỹ thuật chiếu sáng bằng việc sử dụng nguồn sáng có hiệu suất cao Các loại đèn sợi đốt có hiệu quả năng lượng thấp được thay thế bằng đèn compact, các đèn huỳnh quang thế hệ mới cùng với chấn lưu sắt từ tổn hao thấp và chấn lưu điện từ Hiệu quả của ánh sáng tự nhiên được sử dụng tối đa Kết quả của chiếu sáng tiện ích là ánh sáng được điều chỉnh theo mục đích và yêu cầu sử dụng nhằm giảm điện năng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo tiện nghi nhìn, hạn chế các loại khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường

Hiểu rõ được về chiếu sáng tiện ích, được sự hướng dẫn tận tình của

PGS.TSKH TRẦN HOÀI LINH tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: Thiết kế hệ

thống tự động điều chỉnh độ sáng trong phòng sử dụng PLC S7-200 với:

– Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:

Hiệu ứng sáng đối với môi trường sống

Các linh kiện điện tử quang học phát triển mạnh

– Mục đích của đề tài (các kết quả cần đạt được):

Môi trường thông minh về ánh sáng

Thiết kế thiết bị đo độ rọi, điều khiển hệ thống đèn, rèm

– Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:

Tìm hiểu, nghiên cứu hiệu ứng ánh sáng với môi trường sống

Thiết kế thử nghiệm thiết bị và hệ thống điều khiển đèn, rèm trong phòng thông minh

2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Điều khiển hệ thống chiếu sáng là một trong những tính năng quan trọng và nổi trội của một ngôi nhà thông minh Việc điều khiển thông minh tạo cho ngôi nhà

sự khác biệt và làm cho ngôi nhà rực rỡ và đa giạng hơn bằng cách tạo ra các bối cảnh ánh sáng khác nhau Đồng thời, ánh sáng tự động góp phần tiết kiệm điện năng cho chủ nhân ngôi nhà Trên thế giới, rất nhiều hãng đã tập trung nghiên cứu, thiết

kế hệ thống điều khiển ánh sáng trong ngôi nhà thông minh như Siemens, ABB, Crestron, Home Automation Incorporations – HAI …

Là hãng sản suất hàng đầu thế giới về các sản phẩm điều khiển công nghệ cao Siemens tiên phong trong việc điều khiển logic lập trình ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và cả trong điều khiển chiếu sáng Bên cạnh đó, Siemens còn cung cấp khả năng giám sát, quản lý và điều khiển từ xa toàn bộ hệ thống chiếu sáng từ xa, thông qua mạng IP

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong giai đoạn hiện nay, nước ta có nhu cầu rất lớn về năng lượng để thúc đẩy sự phát triển kinh tế, xã hội Nguồn năng lượng có sẵn hiện nay không phải là

vô tận, hơn thế nữa Việt Nam lại còn nhiều hạn chế trong việc khai thác, chế biến

và phát triển các nguồn năng lượng mới thay cho nguồn năng lượng truyền thống Chúng ta đã, đang và sẽ tiếp tục phải bỏ ra một khoản chi phí lớn để nhập khẩu năng lượng Bên cạnh đó, sử dụng năng lượng trong quá trình sản xuất của nước ta còn rất cao so với nhiều nước khác do công nghệ và thiết bị lạc hậu, quản lý chưa chặt chẽ dẫn tới lãng phí,…

Những năm gần đây, chúng ta đã có nhiều giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị, hệ thống tự động chiếu sáng được ứng dụng, Trong đó, một vấn đề rất được quan tâm là làm sao để sử dụng hợp lý công suất chiếu sáng phù hợp với từng nhu cầu chiếu sáng Đặc biệt đối với chiếu sáng ở các phòng học, phòng họp, nhà hàng, khách sạn v.v thường sử dụng khoảng không thoáng, sáng sủa xung quanh phòng Nhưng những ánh sáng đó còn chưa được sử dụng hiệu quả, thậm chí còn phải sử dụng rèm để che chắn lại, v.v bên cạnh đó tại Việt Nam, đã có rất nhiều công ty về tự động hóa đã coi phần tự động hóa cho nhà thông minh là một trong

những hướng đi chiến lược của mình Tuy nhiên, các công ty đó vẫn mang nặng tính chuyển giao công nghệ trong hướng phát triển này Có không nhiều công ty, tổ chức đầu tư vào nghiên cứu, xây dựng hẳn một hệ thống điều khiển nhà thông minh nói chung, điều khiển chiếu sáng trong nhà nói riêng, do họ chế tạo ra để tung ra thị

trường như: hệ thống điều khiển chiếu sáng linh động mềm deo (Solutions Lighting

Control (SLC)), hệ thống này có thể hoạt động độc lập hoặc tích hợp với bộ điều

khiển trung tâm Một bộ điều khiển trung tâm có thể điều khiển hệ thống chiếu sáng bằng lập lịch hoạt động, thời gian mặt trời mọc - mặt trời lặn, điều khiển theo ngày - ngày trong tuần Người dùng có thể điều khiển hệ thống chiếu sáng, rèm và phụ tải khác bằng màn hình cảm ứng, smartphone, máy tính kết nối Internet v.v mặc dù hệ thống linh động và thông minh như vậy, nhưng cũng như các hệ thống khác nó không được ứng dụng rộng rãi do nhiều nguyên nhân, như: giá thành, độ tin cậy, khả năng cung cấp sửa chữa và bảo trì

Từ những phân tích trên cho chúng ta thấy việc nghiên cứu tiếp cận, làm chủ được công nghệ trong điều khiển tự động chiếu sáng, sử dụng hiệu quả đưa ánh sáng bên ngoài vào phòng để giảm năng lượng điện cho chiếu sáng mà vẫn không làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh là rất cần thiết

3 Mô hình đề xuất và cấu trúc của luận văn

Trong luận văn này tác giả sẽ trình bày các đề xuất thiết kế một hệ thống tự động điều chỉnh ánh sáng trong phòng học để đảm bảo độ sáng luôn đạt được độ rọi trong phòng từ 400lux đến 500lux phù hợp với chiếu sáng cho phòng học (theo tiêu chuẩn TCVN 7114:2002)

Với diện tích phòng 7,2m x 12m, cao 3,85m, đã được lắp đặt hệ thống đèn huỳnh quang được điều khiển đóng/mở bằng công tắc, có 2 cửa sổ lớn bằng kính 4m x 2,5m/1 cửa với độ sáng chiếu vào lớn, vì vậy có thể kết hợp việc sử dụng nguồn sáng tự nhiên và chiếu sáng của đèn với nhau để có thể đảm bảo được độ sáng ổn định trong phòng

Hệ thống sẽ sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC S7-200 làm thiết bị điều khiển tự động giữa hệ thống đèn chiếu sáng trong phòng với rèm đóng mở để đưa ánh sáng tự nhiên vào phòng sao cho đạt được những yêu cầu đề xuất sau:

– Độ sáng trong phòng phải đảm bảo được độ rọi như đã nêu là từ 400lux đến

500lux

– Ưu tiên tối đa cho chiếu sáng tự nhiên

– Đảm bảo độ tin cậy, chính xác thuận tiện cho người sử dụng

Các thông số đầu vào, đầu ra và giải pháp chính được liệt kê tiếp theo:

• Đầu vào:

o Một phòng học có diện tích 7,2m x 12m x cao 3,85m như mô tả ở hình dưới đây

o Một bộ điều khiên lập trình PLC S7-200 CPU224

o Có 2 cảm biến tiệm cận cảm ứng từ để khống chế hành trình điều khiển rèm

o 4 bộ đo độ rọi ngưỡng trên và ngưỡng dưới để đặt ở 4 vị trí trong phòng

o Có 2 động cơ để điều khiển 4 rèm cho 2 cửa sổ (rèm đôi liên hoàn)

Như vậy, từ một phòng học ban đầu được điều khiển trực tiếp bằng hệ thống công tắc điều khiển đèn chiếu sáng thụ động với đề xuất trên khi hoàn thành chúng

ta sẽ có một hệ thống chiếu sáng tự động sử dụng tối đa nguồn sáng tự nhiên sẽ tiết kiệm năng lượng điện đáng kể cho người sử dụng điện

• Dự kiến phương pháp:

Trên cơ sở kế thừa các thành quả nghiên cứu về chiếu sáng tự động và phong trào tiết kiệm năng lượng hiện nay ở Việt Nam, trước tiên tác giả sẽ tiến hành tìm hiểu về ánh sáng và các loại thiết bị chiếu sáng Sau đó là nghiên cứu về bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-200 trong việc điều khiển tự động, các thiết bị vào/ra,

từ đó ứng dụng vào thiết kế mạch điều khiển tự động cho hệ thống tự động điều chỉnh độ sáng trong phòng Mạch sẽ hoạt động theo nguyên tắc chung như sau: – Độ sáng trong phòng và ngoài phòng được xác định bằng cảm biến ước lượng mức độ rọi

– Khi độ sáng trong phòng không đủ và nhỏ hơn độ sáng ngoài phòng thì các rèm sẽ được điều chỉnh nâng dần lên để tăng độ sáng cho đến khi đạt ngưỡng cho trước Nếu độ sáng phòng đã đạt ngưỡng và rèm chưa kéo hết thì các rèm sẽ được tiếp tục kéo lên và các đèn trong phòng sẽ được tự động tắt bớt để tiết kiệm điện – Khi các đèn đã tắt hết nhưng trong phòng có độ sáng vẫn vượt ngưỡng thì các rèm sẽ được tự động hạ xuống để giảm độ sáng trong phòng

Hình 1.1: Mặt bằng sơ đồ phòng học Với mô hình như trên, sau phần mở đầu này, luận văn có cấu trúc như sau:

1 Chương 1: Nghiên cứu bộ điều khiển logic khả lập trình PLC S7-200

2 Chương 2: Ánh sáng và thiết bị chiếu sáng

3 Chương 3: Phân tích thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh độ sáng trong phòng

4 Chương 4: Các kết quả thực hiện, thử nghiệm và đánh giá

5 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Phần cuối cùng của luận văn là một số phụ lục và danh mục các tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ

LẬP TRÌNH PLC S7-200

1.1 Nghiên cứu về PLC

1.1.1 Giới thiệu chung

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 kỳ hay các sự kiện 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

Như vậy, PLC thực chất là một máy tính điện tử được sử dụng trong các quá trình tự động hóa trong công nghiệp Đây là một thiết bị điều khiển có thể "lập trình mềm", làm việc theo chương trình lưu trong bộ nhớ (như 1 máy tính điều khiển chuyên dụng)

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay cho các phần cứng Relay dây nối và các logic thời gian Tuy nhiên do sự đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý cũng như giá cả, nên đã tạo được sự phát triển mãnh mẽ của PLC cả về phần cứng lẫn phần mềm Các tập lệnh nhanh chóng

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 xử lý hệ thống, chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác 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 của quy trình công 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 Relay

Như vậy, bộ điều khiển Logic khả trình PLC chứa đựng đầy đủ cả ba thành phần khoa học của máy tính: phần cứng, phần mềm và truyền thông Vì thế, đây sẽ

là xu hướng tự động hóa của nhiều lĩnh vực trong tương lai

1.1.2 Ưu điểm của PLC trong tự động hóa

Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học, cấu tạo gọn nhẹ, dễ bảo quản và sửa chữa do được cấu tạo theo kiểu module, việc kết nối với thiết bị ngoại vi đơn giản, trực quan

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

mở rộng thêm bộ nhớ ngoài Làm việc hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, các module mở rộng nên việc quản lý trở nên thuận tiện hơn

Giá cả có thể cạnh tranh được, đặc biệt là với những hệ thống lớn có nhiều thiết bị làm việc

1.1.3 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

a Cấu trúc

Tất cả PLC đều có thành phần chính là: một bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM), một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC, các module I/O

Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ, khi PLC hoạt động tức được cấp nguồn nuôi và CPU ở chế độ Run, bộ vi xử lý sẽ xử lý các tín hiệu vào theo chương trình đã được lập để điều khiển các tín hiệu đầu ra

Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm 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 trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung

Nếu đơn vị lập trình là đơn vị xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn sàng 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, RS485,

Hình 1.2: Cấu trúc của một PLC

b Nguyên lý hoạt động của PLC

• Bộ xử lý trung tâm CPU

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 hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ

• Hệ thống bus

Hệ thống bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:

– Address bus: dùng để truyền địa chỉ tới các module khác nhau

– Data bus: bus dùng để truyền dữ liệu

– Control bus: bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC

Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa các bộ vi xử lý và các module vào ra thông qua data bus Address bus và data bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của một byte một cách đồng thời hay song song Nếu một module đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address bus, nó sẽ chuyển tất cả các trạng thái

đầu vào của nó vào data bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address bus Module đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ data bus Control bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC Các địa chỉ và số liệu được truyền lên các bus tương ứng trong một thời gian hạn chế

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

• Bộ nhớ

Bộ nhớ S7-200 được chia thành 4 vùng: vùng chương trình, vùng tham số, vùng dữ liệu và vùng đối tượng 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

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp: làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O; làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời gian, đếm, gọi các Relay

Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả các vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ nằm bên trong bộ vi xử lý

Bộ vi xử lý sẽ đếm giá trị trong bộ đếm này thêm một trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này gọi là quá trình đọc

Bộ nhớ bên trong của PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng chứa 2000-16000 dòng lệnh tùy theo loại vi mạch trong PLC các

bộ nhớ như RAM và EPROM đều được sử dụng:

– RAM (Read Only Memory) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ nội dung bất kỳ lúc nào, nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất

Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị pin khô có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM được dùng khởi tạo và kiểm tra chương trình Khuynh hướng hiện nay dùng CMOSRAM

do khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ cao

– EPROM (Electrically Programable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được, nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵn trong máy, đã được nhà sản xuất nạp và chữa sẵn hệ điều hành Nếu người sử dụng không muốn

sử dụng bộ nhớ thì chỉ dùng EPROM gắn bên trong PLC Trên Programer có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM

– EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) liên kết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định Nội dung của nó có thể xóa và lập trình bằng điện tuy nhiên số lần là có giới hạn

Kích thước bộ nhớ các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 - 1000 dòng lệnh tùy theo công nghệ chế tạo Các PLC loại lớn có kích thước từ 1k - 16k có khả năng chứa từ 2000 đến 16000 dòng lệnh Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM

• Các ngõ vào ra I/O

Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các module (các đầu vào của PLC) các cơ cấu chấp hành được nối với modul ra (các đầu ra của PLC) Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12/24VDC hoặc 100/240VAC

Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của các kênh I/O được cung cấp bởi các đèn LED trên PLC, điều này làm cho việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dễ dàng và đơn giản Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON/OFF) để thực hiện việc đóng ngắt mạch ở đầu ra

• Mở rộng cổng vào/ra

Để mở rộng các đầu vào ra trong trường hợp số đầu vào ra trên PLC không đủ hoặc các tín hiệu khác loại (Digital và Analog), người ta sử dụng các module mở rộng Có các loại module mở rộng như: EM231, EM235, EM241,… Tùy vào yêu cầu bài toán, loại CPU mà chọn loại module mở rộng hợp lý về số lượng, tính chất của từng module

CPU224 cho phép mở rộng nhiều nhất 7 module, gồm các module tương tự và

số Việc mở rộng cổng vào/ra của PLC thực hiện bằng cách ghép nối thêm vào nó

các module mở rộng về phía bên phải của CPU, làm thành một móc xích Địa chỉ của các vị trí của các module được xác định cùng kiểu, ví dụ như một module cổng

ra không thể gán địa chỉ của một module cổng vào, cũng như một module tương tự không thể có địa chỉ như một module số và ngược lại

Hình 1.3: Kết nối CPU với module mở rộng

• Cổng truyền thông

Để truyền thông giao tiếp với các trạm PLC, các modul mở rộng, người ta sử dụng đường truyền thông qua cáp RS485 với phích nối 9 chân Để giao tiếp giữa máy tính PC với PLC thì sử dụng cáp RS232, việc đồng bộ hóa giữa 2 tín hiệu 232

và 485 được thực hiện bằng cáp PC/PPI

Hình 1.4: Giao tiếp giữa PLC với PC và cấu tạo cáp PC/PPI

• Bộ nguồn

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp xoay chiều 220VAC, 110VAC hoặc 24VDC thành một chiều 5VDC cấp nguồn nuôi cho bộ xử lý và các mạch điện bên trong

• Các đèn trạng thái

PLC có bộ đếm địa chỉ ở bên trong vi xử lý, vì vậy chương trình ở bên trong

bộ nhớ sẽ được bộ vi xử lý thực hiện một cách tuần tự từng lệnh một, từ đầu cho đến cuối chương trình Mỗi lần thực hiện chương trình từ đầu đến cuối được gọi là một chu kỳ thực hiện Thời gian thực hiện một chu kỳ tùy thuộc vào tốc độ xử lý của PLC và độ lớn của chương trình Một chu kỳ thực hiện bao gồm ba giai đoạn nối tiếp nhau:

– Đầu tiên, bộ xử lý đọc trạng thái của tất cả đầu vào Phần chương trình phục

vụ công việc này có sẵn trong PLC và được gọi là hệ điều hành

– Tiếp theo, bộ xử lý sẽ đọc và xử lý tuần tự lệnh một trong chương trình Trong ghi đọc và xử lý các lệnh, bộ vi xử lý sẽ đọc tín hiệu các đầu vào, thực hiện các phép toán logic và kết quả sau đó sẽ xác định trạng thái của các đầu ra

– Cuối cùng, bộ vi xử lý sẽ gán các trạng thái mới cho các đầu ra tại các module đầu ra

ra được lấy trực tiếp tới các thiết bị Theo hoạt động logic của chương trình, khi lệnh OUT được thực hiện thì các ngõ ra cài lại vào đơn vị I/O, vì thế nên chúng vẫn giữ được trạng thái cho tới khi lần cập nhật kế tiếp

Hầu hết các PLC loại lớn có thể có vài trăm I/O, vì thế CPU chỉ có thể xử lý một lệnh ở một thời điểm Trong suốt quá trình thực thi, trạng thái mỗi ngõ nhập phải được xét đến riêng lẻ nhằm dò tìm các tác động của nó trong chương trình Do chúng ta yêu cầu relay 3ms cho mỗi ngõ vào, nên tổng thời gian cho hệ thống lấy mẫu liên tục trở nên rất dài và tăng theo số ngõ vào

Để làm tăng tốc độ thực thi chương trình, các ngõ I/O được cập nhật tới một vùng đặc biệt trong chương trình Ở đây, vùng RAM đặc biệt này được dùng như một bộ đệm lưu trạng thái các logic điều khiển và các đơn vị I/O, mỗi ngõ vào ra đều có một địa chỉ I/O RAM này Suốt quá trình làm việc, PLC copy tất cả các trạng thái vào trong I/O RAM Quá trình này xảy ra ở một chu kỳ chương trình (từ Start đến End )

Thời gian cập nhật tất cả các ngõ vào ra phụ thuộc vào tổng số I/O được copy tiêu biểu là vài ms Thời gian thực thi chương trình phụ thuộc vào chiều dài chương trình điều khiển tương ứng mỗi lệnh mất khoảng từ 1÷10 µs

1.2 Ngôn ngữ lập trình của Simatic S7 – 200

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của Hãng SIEMENS (CHLB Đức) có cấu trúc theo kiểu Module và có các module mở rộng Các module 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

a) 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 hoặc Step 7 – Micro / Win Những phần mềm này đều

có thể cài đặt được trên các máy lập trình họ PG 7xx 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

được chỉ ra sau đây:

– 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

Hình 1.5: Cấu trúc các chương trình trong PLC

b) 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 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

Hình 1.6: Thực hiện chương trình trong PLC 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

c) Ngôn ngữ lập trình của S7 – 200

200 biểu diễn một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh lập trình

S7-200 thực hiện chương trình bắt đầu từ lệnh lập trình đầu tiên và kết thúc ở lập trình cuối trong một vòng quét (scan)

Một vòng quét (scan cyele) được bắt đầu bằng một việc đọc trạng thái của đầu vào, và sau đó thực hiện chương trình Vòng quét kết thúc bằng việc thay đổi trạng thái đầu ra Trước khi bắt đầu một vòng quét tiếp theo S7-200 thực thi các nhiệm vụ bên trong và nhiệm vụ truyền thông Chu trình thực hiện chương trình là chu trình lặp Cách lập trình cho S7-200 nói riêng và cho các PLC nói chung dựa trên hai phương pháp cơ bản:

• Phương pháp hình thang (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 rơle

Tiếp điểm thường mở:

Tiếp điểm thường đóng:

Cuộn dây: là biểu tượng ( )

Mô tả rơle được mắc theo chiều dòng điện cung cấp cho rơle

– 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 thời gian (Timer), bộ đếm (Counter) và các hàm toán học Cuộn dây và các hộp

phải mắc đúng chiều dòng điện

Mạng LAD: Là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn thiện, đi từ đường nguồn bên trái sang đường nguồn bên phải Đường nguồn bên trái là dây pha, đường nguồn bên phải là dây trung hòa và cũng là đường trở về nguồn cung cấp (thường không được thể hiện khi dùng chương trình tiện dụng STEP7 MICRO/DOS hoặc STEPT7-MICRO/WIN Dòng điện chạy từ trái qua tiếp điểm đến đóng các cuộn dây hoặc các hộp trở về bên phải nguồn

• Phương pháp liệt kê lệnh (STL): Là phương pháp 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

Để tạo ra một chương trình dạng STL, người lập trình cần phải hiểu rõ phương thức sử dụng 9 bit của ngăn xếp logic của S7-200 Ngăn xếp logic là một khối gồm

9 bit chồng lên nhau Tất cả các thuật toán liên quan đến ngăn xếp đều chỉ làm việc với bit đầu tiên hoặc với bit đầu tiên và bit thứ hai của ngăn xếp Giá trị logic mới đều có thể được gửi (hoặc được nối thêm) vào ngăn xếp Khi phối hợp hai bit đầu tiên của ngăn xếp, thì ngăn xếp sẽ được kéo lên một bit

Ngăn xếp và từng bit của ngăn xếp được thể hiện như sau:

– S0 Stack 0 – bit đầu tiên hay bit trên cùng của ngăn xếp

– S1 Stack 1 – Bit thứ hai của ngăn xếp

– S2 Stack 2 – Bit thứ ba của ngăn xếp

– S3 Stack 3 – Bit thứ tư của ngăn xếp

– S4 Stack 4 – Bit thứ năm của ngăn xếp

– S5 Stack 5 – Bit thứ sáu của ngăn xếp

– S6 Stack 6 – Bit thứ bảy của ngăn xếp

– S7 Stack 7 – Bit thứ tám của ngăn xếp

– S8 Stack 8 – Bit thứ chín của ngăn xếp

Chú ý: Nếu có một chương trình viết dưới dạng LAD, thiết bị lập trình sẽ tự

động tạo ra một chương trình theo dạng STL tương ứng Tuy nhiên, không phải mọi chương trình viết dưới dạng STL đều có thể chuyển sang được sang dạng LAD

1.3 Một số lệnh cơ bản của S7-200

1.3.1 Các lệnh vào ra

• Load (LD): Lệnh LD nạp giá trị logic của một tiếp điểm vào trong bít đầu tiên của ngăn xếp (xem hình 4.7a), các giá trị cũ còn lại trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống một bit

• Load Not (LDN): Lệnh LDN nạp giá trị logic nghịch đảo của một tiếp điểm vào trong bít đầu tiên của ngăn xếp (xem hình 4.7b), các giá trị còn lại trong

ngăn xếp bị đẩy lùi xuống một bit

(c8 bị đẩy khỏi ngăn xếp) (c8 bị đẩy khỏi ngăn xếp)

Hình 1.7: Trạng thái ngăn xếp trước và

sau khi thực hiện lệnh LD

Hình 1.8: Trạng thái ngăn xếp trước và sau khi thực hiện lệnh LDN

• OUTPUT (=): Lệnh sao chép nội dung của bit đầu tiên trong ngăn xếp vào

bit được chỉ định trong lệnh, nội dung ngăn xếp không bị thay đổi

1.3.2 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 thiết kế Trong LAD, logic điều khiển dòng điện đóng hay ngắt các cuộn dây đầu ra Khi dòng điều khiển đến các cuộn dây thì các cuôn 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 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

1.3.3 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 trúc mạch, mắc nối tiếp hay song song các tiếp điểm thường đóng hay các tiếp điểm thường mở Trong STL có thể sử dụng lệnh A (And) và O (Or) cho các hàm hở hoặc các lệnh AN (And Not), ON (Or Not) cho các hàm kín Giá trị của ngăn xếp thay đổi phụ thuộc vào từng lệnh

Ngoài những lệnh làm việc trực tiếp với tiếp điểm, S7-200 còn có 5 lệnh đặc biệt biểu diễn cho các phép tính của đại số Boolean cho các bit trong ngăn xếp, được gọi là lệnh stack logic Đó là các lệnh ALD (And Load), OLD (Or Load), LPS (Logic Push), LRD (Logic Read) và LPP (Logic Pop) Lệnh stack logic được dùng

để tổ hợp, sao chụp hoặc xoá các mệnh đề logic LAD không có bộ đếm dành cho Stack logic STL sử dụng các lệnh stack logic để thực hiện phương trình tổng thể có nhiều biểu thức con

1.3.4 Các lệnh so sánh

Khi lập trình, nếu các quyết định về điều khiển được thực hiện dựa trên kết quả của việc so sánh thì có thể sử dụng lệnh so sánh theo Byte, Word hay Dword của S7 - 200

LAD 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 (>=)

Khi so sánh giá trị của byte thì không cần phải để ý đến dấu của toán hạng, ngược lại khi so sánh các từ hay từ kép với nhau thì phải để ý đến dấu của toán hạng

là bit cao nhất trong từ hoặc từ kép

1.3.5 Các lệnh điều khiển Timer

Timer là hệ tạo thời gian trễ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra nên trong điều khiển vẫn thường gọi là khâu trễ S7-200 có 128 Timer (với CPU 214) được chia làm hai loại khác nhau:

– Timer tạo thời gian trễ không có nhớ (On Delay Timer) ký hiệu TON

– Timer tạo thời gian trễ có nhớ (Retentive on Delay Timer) ký hiệu TONR

Hai kiểu timer các S7-200 (TON và TONR) phân biệt với nhau trong phản

ứng của nó đối với trạng thái tín hiệu đầu vào

Cả hai kiểu TON và TONR cùng bắt đầu tạo thời gian trễ tín hiệu từ thời điểm

có sườn lên ở tín hiệu đầu vào, tức là khi tín hiệu đầu vào chuyển trạng thái từ 0 lên

1 gọi là thời điểm timer được kích và không tính thời gian khi đầu vào có giá trị logic 0 mà thời gian trễ tín hiệu được đặt trước

Khi đầu vào có giá trị logic bằng 0 thì TON tự động reset còn TONR không tự động reset Timer TON được dùng để tạo thời gian trễ trong một khoảng thời gian Timer TONR thời gian trễ sẽ được tạo ra trong nhiều khoảng thời gian khác nhau Timer TON và TONR bao gồm 3 loại với ba độ phân giải khác nhau độ phân giải 1ms, 10ms, 100ms Thời gian trễ τ được tạo ra chính là tích của độ phân giải của bộ Timer được chọn và giá trị đặt trước cho Timer

Ví dụ một bộ Timer có độ phân giải bằng 10ms và giá trị đặt trước là 50 thì thời gian trễ sẽ là τ = 500ms

Timer của S7-200 có những tính chất cơ bản sau:

– Các bộ Timer được điều khiển bởi một cổng vào và giá trị đếm tức thời Giá trị đếm tức thời của Timer được nhớ trong thanh ghi 2 byte (gọi là T-word) của Timer, xác định khoảng thời gian trễ kể từ khi Timer được kích Giá trị đặt trước của các bộ Timer được ký hiệu trong LAD và STL là PT Giá trị đếm tức thời của thanh ghi T-word thường xuyên được so sánh với giá trị đặt trước của Timer

– Mỗi bộ Timer, ngoài thanh ghi 02 byte T-word lưu giá trị đếm tức thời, còn

có 1 bít, ký hiệu bằng T-bít, chỉ trạnh thái logic đầu ra Giá trị logic của bít này phụ thuộc vào kết quả so sánh giữa giá trị đếm tức thời với giá trị đặt trước

Trong khoảng thời gian tín hiệu x (t) có giá trị logic 1, giá trị đếm tức thời trong T-word luôn được cập nhật và thay đổi tăng dần cho đến khi nó đạt giá trị cực đại Khi giá trị đếm tức thời lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước, T-bít có giá trị logic 1

Bảng 1.1 Các loại Timer của S7-200 (đối với CPU 214) theo TON, TONR

Lệnh Độ phân giải Giá trị cực đại CPU 214

TON

100ms 3267,7s T37 ÷ T63, T101 ÷ T255

1.3.6 Các lệnh điều khiển counter

Counter là bộ đếm hiện chức năng sườn xung trong S7-200, các bộ đếm của S7-200 được chia làm 2 loại: bộ đếm tiến (CTU) và bộ đếm tiến lùi (CTUD)

Hình 1.10: Bộ đếm tiến CTU

• Bộ đếm CTUD:

Thực hiện đếm tiến khi gặp sườn lên của xung vào cổng đếm tiến ký hiệu là

CU trong LAD hoặc bit thứ 3 của ngăn xếp trong STL và đếm lùi khi gặp sườn lên của xung vào cổng đếm lùi được ký hiệu là CD trong LAD hoặc bit thứ 2 của ngăn xếp trong STL

– Khi đầu vào logic của chân xóa ký hiệu bằng R trong LAD hoặc bit thứ nhất của ngăn xếp trong STL có giá trị logic là 1 hoặc bằng lệnh reset với C bit của

bộ đếm

– CTUD có giá trị đếm tức thời đúng bằng giá trị đang đếm và được lưu trong thanh ghi 2byte C-Word của bộ đếm Giá trị đếm tức thời luôn được so sánh với giá trị đặt trước PV của bộ đếm

Nếu giá trị đếm tức thời lớn hơn bằng giá trị đặt trước thì C-bit có giá trị logic bằng 1 còn các trường hợp khác giá trị logic bằng 0

Hình 1.11: Bộ đếm CTUD của S7-200

Bộ đếm tiến CTU có miền giá trị đếm tức thời từ 0 đến 32767 Bộ đếm tiến/lùi CTUD có miền giá trị đếm tức thời là 32767

Các bộ đếm được đánh số từ 0 đến 127 (đới với CPU 214) và ký hiệu bằng Cxx, trong đó xx là số thứ tự của bộ đếm Ký hiệu Cxx đồng thời cũng là địa chỉ hình thức của C-word và của C-bít Mặc dù dùng địa chỉ hình thức, song C-word và C-bít vẫn được phân biệt với nhau nhờ kiểu lệnh sử dụng làm việc với từ hay với tiếp điểm (bit)

1.4 Phương pháp lập trình trên phần mềm Step 7 – Micro/Win32

Đây là một phần mềm chạy trên nền Windows 32bit do SIEMENS xây dựng

để có thể lập trình cho họ PLC S7-200 Ngoài việc phục vụ lập trình, phần mềm này còn có rất nhiều các tính năng khác như các công cụ gỡ rối, kiểm tra lỗi, hỗ trợ nhiều cách lập trình với các ngôn ngữ khác nhau…

Để có thể khởi động phần mềm lập trình STEP7-Micro/WIN32 ta chỉ cần kích hoạt vào biểu tượng STEP7-Micro/WIN32

Sau khi chạy chương trình, giao diện của phần mềm STEP7-Micro/WIN32 sẽ hiện lên như hình dưới đây:

Hình 1.12: Cửa sổ soạn thảo Ladder

1.4.1 Các thành phần quan trọng

– Program Block: Khi click chuột vào nút này ta sẽ trở về được vùng soạn

thảo chương trình Ở vùng này ta có thể thêm bớt các đầu vào/ra, các biến, các lệnh, hàm để thực hiện chương trình điều khiển

– Symbol Table: Click chuột vào đây, ta sẽ được một bảng mà ở đó ta có thể

định nghĩa các tên biến và đặt địa chỉ tương ứng cho các biến đó để có thể dễ nhớ và

dễ kiểm tra Các biến này có thể là các đầu vào/ra, các biến trung gian,…

– Staus Chart: Cho phép theo dõi cách thức xử lý dữ liệu ảnh hưởng tới việc

thực hiện chương trình Các thông tin trong khối này chỉ trợ giúp cho việc lập trình

mà không được tải đến PLC

– Data Block: Khối dữ liệu chứa các dữ liệu (những giá trị bộ nhớ ban đầu,

những hằng số) và các lời chú thích Dữ liệu được tải đến PLC còn các lời chú thích thì không

– System Block: Chứa các thông tin về cấu hình của bộ PLC như: các thông

số truyền thông, các dải dữ liệu lưu trữ, các bộ lọc đầu vào, thông tin mật khẩu Click chuột vào đây, ta sẽ được một bảng mà ở đó ta có thể định nghĩa các tên biến

và đặt địa chỉ tương ứng cho các biến đó để có thể dễ nhớ và dễ kiểm tra Các thông tin này sẽ được tải đến PLC

– Cross Reference: Cho phép kiểm tra các bảng chứa các toán hạng sử dụng

trong chương trình và cũng là vùng nhớ đã được gán Trong khi chương trình soạn thảo ở chế độ RUN, ta có thể kiểm tra những thông số (EU, ED) đang được sử dụng Các thông tin tại đây không được tải đến PLC

– Communications: Ở đây ta có thể thay đổi cách mà máy tính truyền thông

với PLC S7-200 (PPI, MPI, tốc độ truyền…) hoặc kiểm tra có hay không sự truyền thông giữa máy tính và PLC S7-200 (kiểm tra sự có mặt của PLC hay không)

1.4.2 Phương pháp lập trình

Để tạo một Project mới khi chương trình đang chạy, ta có thể vào menu File

→

→ New hoặc nhấn tổ hợp phím Ctrl + N

Để tạo mở một Project có sẵn ta vào File →→→ Open hoặc nhấn tổ hợp phím

Ctrl + O rồi lựa chọn tên Project muốn mở

Để lưu trữ một Project mới tạo ra, ta chỉ cần vào menu File →→→ Save hoặc nhấn tổ hợp phím Ctrl + S hoặc kích vào biểu tượng trên thanh công cụ

1.4.3 Soạn thảo chương trình

Trước tiên phải lựa chọn phương thức lập trình cho bài toán từ thanh thực đơn,

có thể lập trình theo dạng LAD, STL hoặc FBD Để thực hiện, vào Tools →→→

Options →→→ Ladder/STL/FBD

a) Soạn thảo chương trình trong LAD

Cửa sổ soạn thảo chương trình trong LAD có dạng như trong hình 1.12

Nhập tiêu đề cho vùng soạn thảo bằng cách kích đúp chuột vào dòng chữ

“NETWORK TITLE (single line)” sau mỗi Network

Chọn các phần tử tương ứng với các tín hiệu logic tại thanh chỉ dẫn, tiếp đó

nhập địa chỉ hoặc tham số cho các phần tử này phù hợp với yêu cầu bài toán

• Để chèn một Network mới: chọn Network

– Click chuột phải vào số thứ tự của network, chọn Insert →→→ Network(s)

– Dùng biểu tượng sau trên thanh công cụ:

• Để xoá một Network: chọn Network

– Click chuột phải vào network cần xoá, chọn Delete →→→ Network(s)

– Dùng biểu tượng sau trên thanh công cụ:

• Để thêm một lệnh trong chương trình: Chọn vị trí của lệnh trong chương trình:

– Tiếp theo chọn Instructions, chọn nhóm lệnh sẽ làm việc, kích đúp chuột

vào lệnh cần dùng

– Dùng biểu tượng sau trên thanh công cụ:

b) Soạn thảo chương trình trong STL

Cửa sổ soạn thảo chương trình trong STL có dạng:

Hình 1.13: Cửa sổ soạn thảo chương trình trong STL Việc nhập tiêu đề, chèn và xoá các Network trong STL cũng tương tự như trong LAD

Để soạn thảo một chương trình trong STL, cần thực hiện các bước:

– Chia các đoạn chương trình này thành từng mảng và mỗi mảng phải có từ

1.4.4 Download chương trình xuống PLC

Sau khi viết chương trình xong và lưu trữ vào bộ nhớ, thiết lập thành công liên

kết giữa PC và PLC, mặc định là “PC/PPI cable(PPI)” Để PLC S7-200 có thể thực

hiện được các chương trình điều khiển, người dùng phải Download chương trình xuống PLC

– Nếu Download không thành công ta phải thiết lập lại truyền thông giữa PC

và PLC và thực hiện lại

Cần phải lưu ý là để Download chương trình cho PLC thì phải chắc chắn rằng PLC S7-200 đã được kết nối đến máy tính PC và việc truyền thông với PC đã được thiết lập Hay nói cách khác, máy tính phải nhận ra được sự tồn tại của PLC Nếu không STEP7-Micro/WIN32 sẽ báo lỗi Khi kết nối thành công STEP7-Micro/WIN32 sẽ đưa ra bảng thông báo các thành phần sẽ được Download xuống PLC

1.4.5 Trình tự thiết kế một hệ thống điều khiển dùng PLC

Đối với một bài toán tự động hóa PLC, việc khảo sát công nghệ, tìm hiểu kỹ hệ thống để có hướng giải quyết hợp lý đóng vai trò quan trọng Khảo sát kỹ công nghệ

kết hợp với các thuật toán hợp lý cho phép đơn giản hóa bài toán, đồng nghĩa với tốc

độ thực hiện nhanh, độ tin cậy cao, dễ bảo trì, bảo dưỡng nâng cấp chương trình Đây

là các tiêu chí rất quan trọng để đánh giá chất lượng của một phần mềm PLC

a Bước 1: Phân tích yêu cầu công nghệ

– Phân tích các yêu cầu chung của hệ thống (tức là xác định thành phần nào cần điều khiển, yêu cầu về thời gian, độ chính xác…)

– Phân tích thứ tự tác động của các thành phần trong hệ thống Hay nói cách khác là sự phân biệt thứ tự hoạt động của các thành phần trong hệ thống, cái nào trước, cái nào sau và sự liên quan giữa chúng

– Phân tích bản chất của từng thành phần để xác định được các điều kiện liên quan mà chỉ phụ thuộc vào bản chất riêng của nó và kết hợp với toàn bộ với những phân tích trước đó để có phương pháp điểu khiển thích hợp

b Bước 2: Phân công tín hiệu vào/ra

Từ các bước phân tích về công nghệ cho ta biết sẽ có bao nhiêu tín hiệu vào/ra trong hệ thống, bản chất của các tín hiệu (số, tương tự, xung…) và ta sẽ phân công các tín hiệu này cho toàn bộ hệ thống

Việc phân công này phụ thuộc vào hệ thống và cấu hình PLC hoặc hệ PLC mà chúng ta định viết chương trình điều khiển Và việc gán địa chỉ cho các tín hiệu vào/ra của hệ thống phải tuân thủ những quy định của nhà cung cấp PLC

c Bước 3: Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển

Đối với những hệ điều khiển tương đối lớn và phức tạp thì bước này rất quan trọng cho việc lập trình về sau này Nó sẽ giúp cho người lập trình phân tích hệ thống điều khiển thành từng phần, sự liên quan và thứ tự tác động của chúng và từ

đó sẽ cụ thể hoá được phương án điều khiển trên chương trình cho PLC

d Bước 4: Viết chương trình điều khiển

Từ những gì đã có từ việc phân tích hệ thống và xây dựng lưu đồ thuật toán thì việc cụ thể hoá bằng ngôn ngữ lập trình và đưa xuống PLC cũng rất quan trọng

Ở đây người lập trình cũng phải tuân thủ những quy định của nhà sản xuất về việc lập trình cho loại PLC S7-200 của họ dẫn đến một số hạn chế nhất định trong việc thể hiện thuật toán Và đôi khi cũng phải điều chỉnh lại thuật toán cho phù hợp với loại PLC mà mình đang có

e Bước 5: Chạy thử chương trình và kiểm tra lỗi

Sau khi đã hoàn thiện chương trình điều khiển và kiểm tra những lỗi có thể thấy được như các lỗi về cú pháp, về sự sai khác kiểu dữ liệu, về thời gian… thì có thể download chương trình xuống PLC để chạy thử

Việc chạy thử này nếu có thể thực hiện trên hệ thống thực tế là tốt nhất còn nếu không có thể chạy thử trên các phần mềm mô phỏng hoặc một hệ thống được xây dựng để mô phỏng lại hệ thống cần điều khiển Từ việc kiểm tra các đáp ứng của hệ thống sau khi chạy thử thì người lập trình có thể kiểm tra lại toàn bộ thuật toán mà mình đã xây dựng từ đó chỉnh sửa lại chương trình để đáp ứng được hoàn toàn các yêu cầu của hệ thống

f Bước 6: Lắp đặt thiết bị

Sau khi chạy thử thành công, chương chình được viết là đúng và ta có thể tiến hành lắp đặt các thiết bị chon mạch theo thiết kế ban đầu và khởi động PLC cho hệ thống đi vào làm việc

Tóm lại trình tự thiết kế một hệ thống điều khiển có thể được mô tả như trong giản đồ hình 1.14 Các quá trình cần được tiến hành một cách trình tự, không bỏ qua giai đoạn, có như vậy thì hệ thống sẽ không gặp lỗi trong quá trình hoạt động sau này

Hình 1.14: Trình tự thiết kế hệ thống điều khiển dùng PLC

Nhận xét:

Trong chương I, tôi đã nghiên cứu chung về bộ điều khiển logic khả trình PLC, tìm hiểu họ PLC S7-200 về phần cứng, các tập lệnh cơ bản, phương pháp lập trình,… Qua đó nhận thấy đây là một công cụ tiện lợi với nhiều ứng dụng, đạt yêu cầu đối với việc điều khiển các cơ cấu chấp hành trong thiết bị tự động hóa công nghiệp Ngoài ra, chúng tôi cũng đã xây dựng được trình tự thiết kế một hệ thống điều khiển dùng PLC, đây là cơ sở quan trọng trong việc tính toán thiết kế cho mạch bảo vệ máy biến áp trong chương tiếp theo

1.5 Kết luận chương 1

Chương 1 chủ yếu giới thiệu về bộ điều khiển lập trình PLC S7-200 như lịch

sử phát triển của PLC, những ưu điểm của PLC so với các hệ thống điều khiển khác, cách cài đặt phần mềm lập trình Step7 và các lệnh cơ bản trong PLC S7-200,

từ đó đưa ra các giải pháp để điều khiển cho hệ thống Qua đó nhận thấy đây là một công cụ tiện lợi với nhiều ứng dụng, đạt yêu cầu đối với việc điều khiển các cơ cấu chấp hành trong thiết bị tự động chiếu sáng Ngoài ra chúng tôi cũng xây dựng được trình tự thiết kế một hệ thống điều khiển dùng PLC, đây là cơ sở quan trọng trong việc Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh độ sáng trong phòng sử dụng PLC S7-

200

CHƯƠNG 2: ÁNH SÁNG VÀ THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG

2.1 Khái niệm cơ bản về chiếu sáng

2.1.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật chiếu sáng

Có thể coi việc phát hiện và chế ngự ngọn lửa là bước khởi đầu cho Kỹ thuật chiếu sáng của nhân loại Ngọn lửa không chỉ giúp nấu chín thức ăn, sưởi ấm nơi ở,

mà còn giúp con người kéo dài hoạt động vật chất và tinh thần khi màn đêm buông xuống

Nguồn sáng nhân tạo đầu tiên là ngọn nến đã được sử dụng 5000 năm về trước Theo chiều dài lịch sử, ngành Kỹ thuật chiếu sáng có bước phát triển rực rỡ khởi đầu từ thời đại ánh sáng điện

Bắt đầu từ thế kỷ XIX, các định luật cơ bản về điện từ được công bố Năm

1873 nhà khoa học Scotland J>C Maxwell (1831-1889) đã đề xuất lý thuyết trường đện từ thống nhất và tiên đoán sự tồn tại của sóng điện từ Năm 1888 nhà khoa học Đức Heinrich Hertz (1857-1894) lần đầu tiên đã thí nghiệm thành công thu và phát sóng điện từ công cụ phân tích phổ được các nhà khoa học Đức Robert Bunsen (1811-1899) và G Kirchhoff (1824-1887) phát triển và ứng dụng trong việc nghiên cứu ánh sáng, nhờ đó bức màn bí mật của ánh sáng được phát hiện

Trong thời gian gần đây, với sự ra đời và hoàn thiện của các nguồn sáng hiệu suất cao, các phương pháp tính toán và công cụ phần mềm chiếu sáng mới, kỹ thuật chiếu sáng đã chuyển từ giai đoạn chiếu sáng tiện nghi sang chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng gọi tắt là chiếu sáng tiện ích

Theo các số liệu thống kê, năm 2005 điện năng sử dụng cho chiếu sáng trên toàn thế giới là 2650 tỷ kWh, chiếm 19% sản lượng điện hoạt động chiếu sáng xảy

ra đồng thời vào giờ cao điểm buổi tối đã khiến cho đồ thị phụ tải của lưới điện tăng vọt, gây không ít khó khăn cho việc truyền tải và phân phối điện Chiếu sáng tiện ích là một giải pháp tổng thể nhằm tối ưu hoá toàn bộ kỹ thuật chiếu sáng từ việc sử dụng nguồn sáng có hiệu suất sáng cao, thay thế các đèn sợi đốt có hiệu quả năng lượng thấp bằng đèn compact, sử dụng rộng rãi các đèn huỳnh quang thế hệ mới, sử dụng chấn lưu sắt từ tổn hao thấp và chấn lưu điện tử, sử dụng tối đa và hiệu quả

ánh sáng tự nhiên, điều chỉnh ánh sáng theo mục đích và yêu cầu sử dụng, nhằm giảm điện năng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo tiện nghi nhìn Kết quả của chiếu sáng tiện ích phải đạt tiện nghi nhìn tốt nhất, tiết kiệm năng lượng, hạn chế các loại khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường

2.1.2 Bản chất của ánh sáng

Tìm hiểu bản chất của ánh sáng là một trong những mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học như quan niệm của Newton về thuyết ánh sáng thế kỷ 17, tuy nhiên thuyết hạt ánh sáng của Newton không giải thích được sự phân cực và giao thoa ánh sáng Cho tới giữa thế kỷ 18 đa số các nhà khoa học thừa nhận thuyết sóng ánh sáng, vì thuyết này đã giải thích được các hiện tượng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ

và phân cực ánh sáng

Mắt người là bộ cảm biến quang sinh học vô cùng tinh tế và linh hoạt, cảm nhận được ánh sáng trong dải bước sóng từ 380 đến 780µm sự cảm nhận ánh sáng của mỗi người cũng khác nhau Ủy ban Chiếu sáng quốc tế CIE đưa ra các giới hạn phổ màu của ánh sáng nhìn thấy, được cho trên hình sau:

Hình 2.1: Giới hạn phổ màu của ánh nhìn thấy

Ta nhận thấy:

– Trong miền ánh sáng nhìn thấy, mỗi bước sóng đơn sắc λ được mắt người cảm nhận bằng một màu riêng Nhiều ánh sáng đơn sắc tổ hợp lại thành ánh sáng phức hợp

– Ánh sáng nhìn thấy chỉ chiếm một dải rất hẹp trong phổ bức xạ điện từ có bước sóng liên tục từ 380 đến 780µm, ứng với các màu tím, chàm, lam, lục, vàng da cam, đỏ của 7 sắc cầu vồng Đây chỉ là các màu chính của phổ ánh sáng trắng, thực

ra trong phổ của ánh sáng trông thấy có vô số màu biến thiên liên tục mà mắt chúng

ta không thể phân biệt được