XÂY DỰNG HỆ (SCADA) GIÁM SÁT,ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH VÀ CẢNH BẢO MỨC TRONG BỂ VỚI DẢI ĐO:[0 ÷ 5]M

Phần báo cáo: Chương 1: Cơ sở lý thuyết 1.1Mục đích 1.2Phương pháp đo (Tùy theo đề tài là đo đại lượng gì ?) 1.3Tìm hiểu về bộ điều khiển (Loại PLC, VĐK… mà mình lựa chọn) 1.4Tìm hiểu về HMI (WinCC, OPC, Visual Basic, C++…) Chương 2: Thiết kế thệ thống 2.1 Lựa chọn thiết bị (Các thiết bị, liên quan đến đại lượng đo và cơ cấu chấp hành mà đề tài thực hiện) 2.2 Xây dụng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây 2.3 Xây dựng thuật toán 2.4 Xây dựng phần mềm 2.5 Thiết kế giao diện HMI Chương 3: Kết quả đề tài 3.1 Kết quả nghiên cứu lý thuyết 3.2 Kết quả thực nghiệm (Chạy mô hình thực nếu có) Kết luận Phụ lục Muc lục Lời nói đầu 5 Chương 1 6 1.1Mục đích 6 1.2Phương pháp đo6 1.3Tìm hiểu về bộ điều khiển10 1.3.1Tìm hiệu về PLC10 1.3.2Tìm hiểu sơ lược về PLC S7200 của SIEMEN19 1.3.3Module mở rộng36 1.4Tìm hiểu về HMI và WINCC 47 1.4.1Tìm hiểu HMI47 1.4.2Tìm hiểu WINCC 49 Chương 2 Thiết kế hệ thống 52 2.1 lựa chọn thiết bị52 2.2 Xây dụng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây53 2.3 Xây dựng thuật toán54 2.4 Xây dựng phần mềm54 2.5 Thiết kế giao diện HMI58 Chương 3 kết quả đề tài 61 3.1 kết quả nghiên cứu lí thuyết61 3.2 Kết quả thực nghiệm61 3.3 Kết luận 3.4 Phụ lục

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN 3,4 (VXL, VKĐ, SCADA)

ĐỀ TÀI SỐ 2 :XÂY DỰNG HỆ (SCADA) GIÁM SÁT,ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH VÀ

CẢNH BẢO MỨC TRONG BỂ VỚI DẢI ĐO:[0 ÷ 5]M

NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN : NHÓM 6

DƯƠNG VĂN HÙNG

PHÙNG ĐẮC MINH

LÊ VĂN QUỐC

NGUYỄN TIẾN TUẤN

TRẦN VĂN VŨ

Đề bài 2: Xây dựng hệ (SCADA) giám sát, điều khiển ổn định mức và cảnh

báo mức trong bể với dải đo: [0 ÷ 5]m

Trong đó:

PC: Máy tính điều khiển và giám sát

Bộ ĐK: Trạm điều khiển (PLC, VXL…)

Bảng điều khiển tại chỗ

• Các nút ấn START, STOP: để khởi động và dừng hệ thống,

• Đèn RUN; Báo hệ thống làm việc,

1.2 Phương pháp đo (Tùy theo đề tài là đo đại lượng gì ?)

1.3 Tìm hiểu về bộ điều khiển (Loại PLC, VĐK… mà mình lựa chọn)

1.4 Tìm hiểu về HMI (WinCC, OPC, Visual Basic, C++…)

Chương 2: Thiết kế thệ thống

2.1 Lựa chọn thiết bị (Các thiết bị, liên quan đến đại lượng đo và cơ cấu chấphành

mà đề tài thực hiện)

2.2 Xây dụng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây

2.3 Xây dựng thuật toán

2.4 Xây dựng phần mềm

2.5 Thiết kế giao diện HMI

Chương 3: Kết quả đề tài

3.1 Kết quả nghiên cứu lý thuyết

3.2 Kết quả thực nghiệm (Chạy mô hình thực nếu có)

Chương 1 6

1.1 Mục đích 6

1.2 Phương pháp đo 6

1.3 Tìm hiểu về bộ điều khiển 10

1.3.1 Tìm hiệu về PLC 10

1.3.2 Tìm hiểu sơ lược về PLC S7200 của SIEMEN 19

1.3.3 Module mở rộng 36

1.4 Tìm hiểu về HMI và WINCC 47

1.4.1 Tìm hiểu HMI 47

1.4.2 Tìm hiểu WINCC 49

Chương 2 Thiết kế hệ thống 52

2.1 lựa chọn thiết bị 52

2.2 Xây dụng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây 53

2.3 Xây dựng thuật toán 54

2.4 Xây dựng phần mềm 54

2.5 Thiết kế giao diện HMI 58

Chương 3 kết quả đề tài 61

3.1 kết quả nghiên cứu lí thuyết 61

3.2 Kết quả thực nghiệm 61

3.3 Kết luận

3.4 Phụ lục

Lời nói đầu:

Trong thực tế yêu cầu về đo mức chất lỏng xuất hiện trong nhiều lĩnh vực:

- Sản xuất nông nghiệp: đảm bảo lượng nước tưới tiêu cho cây trồng, đảmbảo lượng nước trong các bể, hồ nuôi thủy hải sản

- Công nghiệp sản xuất rượu, bia

- Đo mức xăng, dầu trong khai thác dầu khí

- Khống chế mức nước trong thủy điện, nhiệt điện

- Đo mức chất lỏng trong các phòng thí nghiệm, xét nghiệm

- Xử lý nước thải trong các nhà máy, thành phố

Tùy theo yêu cầu độ chính xác về mức chất lỏng trong từng ứng dụng mà lựachọn các loại cảm biến khác nhau Có nhiều phương pháp đo mức : thổi bọt khí,chênh áp, đo lực căng, phao nổi, công tắc khoảng hở, loadcell, độ dẫn điện, hạtnhân, radar, RF Admittance, siêu âm, sóng viba, ….Phổ biến là hai loại cảm biếnsiêu âm, cảm biến áp suất:

Các cảm biến này biến các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện analog, tínhiệu điện được đưa về các bộ điều khiển, các bộ điều khiển này tính toán và đưa

ra được chiều cao mức nước trong thực tế

Để đọc được tín hiệu Analog do cảm biến trả về ta có hai phương pháp khácnhau đó là dùng vi điều khiển và dùng PLC Bản chất của vi điều khiển và PLC

là như nhau vì nó cùng là bộ xử lí trung tâm làm nhiệm vụ phân tích và sử lí dữliệu thu được Trong điều kiện công nghiệp thì PLC tỏ ra có ưu thế hơn nhờ vào

độ bề cao, chịu được điều kiện khắc nhiệt, độ ổn định cao và dễ lập trình điềukhiển

Vì vậy trong đồ án môn học này chúng em sẽ nghiên cứu ứng dụng PLC để

đo, điều khiển và cảnh báo mức nước trong bể sử dụng cảm biến alalog làmodule mở rộng ADC của PLC

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Mục đích

Trong khuôn khổ đề tài ứng dụng PLC để đo, điều khiển và cảnh báo mức nướctrong bể chúng ta cần giải quyết được những vấn đề sau:

- Tìm hiểu chung về PLC và loại PLC được sử dụng

- Tìm hiểu về các module mở rộng cho PLC được sử dụng trong đề tài

- Tìm hiểu về các loại cảm biến Alalog dùng để đo mức nước và loại được sử dụng

- Xây dựng thuật toán điều khiển và chương trình điều khiển

*) Phương pháp nghiên cứu:

Do đặc thù của đồ án nên việc hoàn thành sản phẩm và chạy thực tế sẽ gặp nhiềukhó khăn Chúng em chọn phương án nghiên cứu dựa trên các tài liệu và kiếnthức trên mạng kết hợp với kiến thức học được của môn học để hoàn thiện phần

lý thuyết của đồ án, kết hợp mô phỏng từng phần dựa trên phần mềm mô phỏngtrên máy tính

1.2 Phương pháp đo.

Ngày nay trên thị trường có tới trên 20 loại cảm biến đo mức khác nhau; tìmđược một loại cảm biến phù hợp với điều kiện và yêu cầu là một điều không dễdàng Trong khuôn khổ đồ án chúng em sẽ giới thiệu sơ lược về một số loại cảmbiến đo mức nước và loại cảm biến được chọn trong đồ án

1.2.1 Cảm biến siêu âm

Bộ truyền siêu âm hoạt động dựa trên việc gửi một sóng âm, được phát ra từ

bộ biến năng áp điện, đến bề mặt của một vật liệu cần đo Bộ truyền âm đo thờigian từ lúc gửi tín hiệu cho tới khi nhận được tín hiệu phản hồi Thành công củaphép đo phụ thuộc vào sóng, độ phản xạ từ vật cần đo Những yếu tố như bụi,hơi nước (chất lỏng) dày đặc; độ cản trở bình chứa, nhiễu loạn gây bởi bề mặt;những chất tạo bọt và thậm chí là độ gồ ghề hoặc góc tạo bởi chùm sóng với bềmặt cần đo đều góp phần tạo những thông tin không mong muốn ở tín hiệu phảnhồi

Lợi ích lớn nhất của công nghệ đo mức thông qua môi trường khí như siêu

âm, rada và laze là những thiết bị đo không tiếp xúc với vật cần đo (hình 3) Chỉ

có một vài điểm tín hiệu cần tiếp xúc với bề mặt chất cần đo nhằm tạo ra nhữngtín hiệu phản hồi về cảm biến Điều này giải thích tại sao chất lượng không khígiữa bề mặt chất lỏng với cảm biến luôn là vấn đề và tại sao chất lượng của bềmặt chất lỏng (hoặc bình chứa) cần luôn được tính đến khi sản xuất và lắp đặtcảm biến vì mọi nhiễu loạn về tín hiệu sẽ góp phần vào sai số của phép đo

Như vậy, cảm biến đo mức dùng siêu âm là một giải pháp phù hợp chonhững đối tượng với những yêu cầu về hình dạng, môi trường ổn định và có thể

biết trước Khi lắp đặt chúng ta không được quên rằng bộ phát siêu âm chỉ cóhiệu quả khi cảm biến đón nhận được tín hiệu phản hồi.

Không giống như công nghệ truyền thống, GWR cho khả năng đọc phép đođộc lập với những tính chất lý hóa của môi trường đo mà nó tiếp xúc Thêm vào

đó, GWR hoạt động tốt trong cả môi trường lỏng và môi trường rắn GWR phùhợp với nhiều ứng dụng đo mức khác nhau.

Cảm biến hoạt động theo nguyên tắc:

Khi màng biến dạng thì lớp điện trở đặt trên màng sẽ thay đổi giá trị Sự biếndạng là do áp suất tăng lên trong hệ thống, sự thay đổi điện trở gây ra sự thay đổiđiện thế của mạch cầu điện trở

Điện áp thay đổi được khuyếch đại bởi mạch khuyếch đại và thay đổi trongkhoảng từ 5mA đến 40mA Sự thay đổi này sẽ được đọc bởi module mở rộngcủa PLC để trả ra giá trị digital, tùy theo độ phân giải được chọn mà giá trịdigital trả ra có thể thay đổi.

Từ giá trị digital đọc được ta có thể tính được giá trị áp suất đáy bình Ápdụng công thức với P = áp suất đo được, ρ = khối lượng riêng, g = gia tốc trọng lực, h = chiều cao của cột chất lỏng ta có thể tính ngược lại được chiều

cao của cột chất lỏng

Việc kiểm soát một cách chính xác áp suất của ống là điều bắt buộc để hệthống hoạt động đúng Đây cũng là nguyên nhân tại sao cảm biến áp suấ ốngphải có sai số nhỏ trong quá trình đo Trong dải hoạt động của động cơ, độ chínhxác khi đo đạt khoảng 2% Nếu cảm biến áp suất ống bị hư thì van điều khiển ápsuất sẽ được điều khiển theo giá trị định sẵn ECU

Với mục đích nghiên cứu module mở rộng Alalog cuả PLC, nhóm chọn cảmbiến áp suất làm nhiệm vụ đọc giá trị mức nước

1.3 Tìm hiểu về bộ điều khiển

1.3.1 Tìm hiệu về PLC

1.3.1.1 Giới thiệu chung về PLC

PLC viết tắt của Programmable Logic Controlle, là thiết bị điều khiển lậptrình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiểnlogic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thựchiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhânkích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thờigian định thì hay các sự kiện được đếm Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự,

nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một

bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng

lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lậptrình.

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối ( bộ điềukhiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầusau :

- Lập trình dể dàng , ngôn ngữ lập trình dể học

- Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản , sửa chữa

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

- Hoàn toàn tin cậy trog môi trường công nghiệp

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

- Giá cả có thể cạnh tranh được

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối vàcác Logic thời gian Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượngnhớ và tính dể dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả …Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong côngnghiệp Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnhđếm , định thời , thanh ghi dịch … sau đó là các chức năng làm toán trên cácmáy lớn … Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn ,

số lượng I / O nhiều hơn

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trìnhđiều khiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽđược xác định bởi một chương trình Chương trình này được nạp sẵn vào bộnhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện viêc điều khiển dựa vào chương trình này Nhưvậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của qui trình công nghệ , ta chỉcần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC Việc thay đổi hay mởrộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dể dàng mà không cần một sự canthiệp vật lý nào so với các bộ dây nối hay Relay

Hiện nay với sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử đã cho phép chếtạo các hệ vi xử lý liên tiếp, dựa trên cơ sở của bộ vi xử lý, các bộ điêu khiểnlogic có khả nẳng lập trình được (PLC) đã ra đời, cho phép khắc phục được rấtnhiều nhược điểm của các hệ điều khiển liên kết cứng trước đây, việc dùng PLC

đã trở nên rất phổ biến trong công nghiệp tự động hoá Có thể liệt kế các ưuđiểm chính của việc sử dụng PLC gồm:

- Giảm bớt việc đấu nối dây khi thiết kế hệ thống, giá trị logic của nhiệm vụđiều khiển được thực hiện trong chương trình thay cho việc đấu nối dây.

- Tính mềm dẻo cao trong hệ thống

- Bộ nhớ: Cổng ngắt và đếm tốc độ cao khối vi xử lý trung tâm

- Hệ điều hành Bộ đếm vào – ra Bộ định thời Bộ đếm Bit cơ Cổng vào raOnboard Quản lý ghép nối Bus của PLC - Bộ nhớ vào ra:

Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ PLC

1.3.1.2 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC

a Cấu trúc

Tất cả các PLC đều có thành phần chính là :

Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong ( có thể mở rộng thêm một số bộ nhớngoài EPROM ).

Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC

Các Modul vào /ra

Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm môt đơn vị lập trìnhbằng tay hay bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủRAM để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung Nếu đơn vịlập trình là đơn vị xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉkhi nào chương trình đã được kiểm tra và sẳn sàng sử dụng thì nó mới truyềnsang bộ nhớ PLC Đối với các PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hổtrợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình nối vớiPLC qua cổng RS232, RS422, RS458, …

Đối với PLC cỡ nhỏ các bộ phận thường được kết hợp thành một khối Cũng

có một số hãng thiết kế PLC thành từng mô đun để người sử dụng có thể lựachọn cấu hình PLC cho phù hợp mà ít tốn kém nhất, đồng thời đáp ứng được yêucầu ứng dụng Một bộ PLC có thể có nhiều mô đun nhưng thành phần cơ bảnnhất của phần cứng trong bộ PLC bao giờ cũng có các khối sau:

Sơ đồ cấu trúc phần cứng của bộ lập trình PLC

Dựa vào sơ đồ khối ta thấy PLC gồm có 4 khối chính đó là: Khối nguồn, khối vi xử lý – bộ nhớ, khối đầu vào, khối đầu ra Thông thường các tín hiệu xuất nhập đầu ở dạng số (1- 0), còn nếu tín hiệu là dạng liên tục thì ta cần gắn các khối xuất nhập ở dạng liên tục (Analog).

Mô đun nguồn: (Moudule)

Là khối chức năng dùng để cung cấp nguồn và ổn định điện áp cho PLC hoạtđộng Trong công nghiệp người ta thường dùng điện áp24V một chiều Tuynhiên cũng có bộ PLC sử dụng điện áp 220V xoay chiều

Mô đun CPU (Centrol rocessor Unit module):

Bao gồm bộ vi xử lý và bộ nhớ

Mô đun nhập: (Input Module)

Tín hiệu vào: Các tín hiệu đầu vào nhận các thông tin điều khiển bên ngoàidạng tín hiệu Logic hoặc tín hiệu tương tự Các tín hiệu Lôgic có thể từ các nút

ấn điều khiển các công tắc hành trình, tín hiệu báo động, các tín hiệu của các quytrình công nghệ,…Các tín hiệu tương tự đưa vào của PLC có thể là tín hiệu điện

áp từ các căn nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ cho một lò nào đó hoặc tín hiệu từmáy phát tốc, cảm biến

Mô đun xuất (Output Module):

Trong PLC thì Module xuất cũng hết sức quan trọng không kém modulenhập Nó có thể có 8 hoặc 16 ngõ ra mà trên một Module xuất, do vậy người sửdụng có thể kết nối nhiều module lại với nhau để được số ngõ ra phù hợp Đốivới những ứng dụng nhỏ thì cần 16 ngõ ra Những ứng dụng lớn hơn có thể dùngtới 26 hoặc 256 ngõ ra Cũng giống như Module nhập thì các ngõ ra của Modulexuất là các tiếp điểm của rơle, khả năng chịu tải lớn 220V/1A Nếu muốn khốngchế phụ tải công suất lớn thì thông qua các thiết bị trung gian như: CTT.Aptomat Triac…

b Nguyên lý hoạt động của PLC

Chu kỳ thực hiện vòng quét của CPU trong bộ PLCTrong quá trình thực hiện chương trình CPU luôn làm việc với bảng ảnh ra.Tiếp theo của việc quét chương trình là truyền thông nội bộ và tự kiểm tra lỗi.Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại

vi Những trường hợp cần thiết phải cập nhật module ra ngay trong quá trìnhthực hiện chương trình Các PLC hiện đại sẽ có sẵn các lệnh để thực hiện điềunày Tập lệnh của PLC chứa các lệnh ra trực tiếp đặc biệt, lệnh này sẽ tạm thờidừng hoạt động bình thường của chương trình để cập nhật module ra, sau đó sẽquay lại thực hiện chương trình Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được mộtvòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cốđịnh, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảngthời gian như nhau Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thựchiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khốilượng dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó Một vòng quét chiếm thờigian quét ngắn thì chương trình điều khiển được thực hiện càng nhanh Nguyên

lý hoạt động dựa trên các bộ phận sau :

Đơn vị xử lý trung tâm

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm trachương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trongchương trình , sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được pháttới các thiết bị liên kết để thực thi Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụthuộc 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 đườngtín hiệu song song :

Address Bus : Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau Data Bus : Bus dùng để truyền dữ liệu

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

Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào rathông qua Data Bus Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểmcho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song

Nếu môt modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus , nó sẽchuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của

8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữliệu từ Data bus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chutrình hoạt động của PLC

Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thờigian hạn chế

Hê thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 118 MHZ Xungnày quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời,đồng hồ của hệ thống

Bộ nhớ

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, đếm, ghi cácRelay

Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trítrong 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 chỉở bên trong bộ

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

Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bỡi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này

có khả năng chứa 2000 ÷ 16000 dòng lệnh , tùy theo loại vi mạch Trong PLCcác bộ nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng

RAM (Random Access 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 bịmất Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khảnăng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trongthực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình Khuynh hướnghiện nay dùng CMOSRAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn

EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ màngười 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 chứa hệ điều hành sẵn Nếu người sử dụng khôngmuốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC Trên PG(Programer) có sẵn chổ ghi và xóa EPROM

Môi trường ghi dữ liệu thứ ba là đĩa cứng hoạc đĩa mềm, được sử dụng trongmáy lập trình Đĩa cứng hoăc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng

để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài

Mỗi đơn vị I / O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của cáckênh I / O được cung cấp bỡi các đèn LED trên PLC , điều này làm cho việckiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dể dàng và đơn giản

Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON,OFF) để thực hiện việcđóng hay ngắt mạch ở đầu ra

1.3.1.3: Các hoạt động bên trong PLC

a. Xử lý chương trình

Khi một chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của PLC , các lệnh sẽ đượctrong một vùng địa chỉ riêng lẻ trong bộ nhớ

PLC có bộ đếm địa chỉở 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 chođến cuối chương trình Mỗi lần thực hiện chương trình từ đầu đến cuối đượcgọi 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 lỳ thực hiện bao gồm bagiai 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 hiệncác 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 modulđầu ra

có những tín hiệu hợp lý mới được đọc vào trong bộ nhớ vi xử lý Các lệnh ngỏ

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

- Chụp ảnh quá trình xuất nhập

Hầu hết các PLC loại lơn 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 mỗingõ nhập phải được xét đến riêng lẻ nhằm dò tìm các tác động của nó trongchương trình Do chúng ta yêu cầu relay 3ms cho mỗi ngõ vào, nên tổng thờigian 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 tớimột 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 copy tất cảcác trạng thái vào trong I / O RAM Quá trình này xảy ra ở một chu kỳ chươngtrình (từ Start đến End ).

Thời gian cập nhật tất cả các ngõ vào ra phụ thuộc vào tổng số I/O đượccopy tiêu biểu là vài ms Thời gian thực thi chương trình phụ thuộc vào chiềudài chương trình điều khiển tương ứng mỗi lệnh mất khoảng từ1÷ 10 µs

1.3.2 Tìm hiểu sơ lược về PLC S7200 của SIEMEN

1.3.2 1 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG S7-200

PLC 200 là một loại PLC cỡ nhỏ của công ty Siemens Cấu trúc

S7-200 gồm 1 CPU và các module mở rộng cho nhiều ứng dụng khác nhau.S7-S7-200

gồm nhiều loại: CPU 221, 222, 224, 226….có nhiều nhất 7 module mở rộng khi

có nhu cầu: tổng số ngõ vào/ra, ngõ vào/ra Analog, kết nối mạng ( AS-I,Profibus )

S7 200 có các đặc trưng về thông số kĩ thuật như sau : 

Các đèn báo:

Có 3 loại đèn báo hoạt động

- RUN: đèn xanh báo hiệu PLC đang hoạt động

- STOP :đèn vàng –báo hiệu PLC

- SF (system Failure):đèn đỏ báo hiệu PLC bị sự cố

- Điện áp tác động: 24 -28VDC/2A - Ngõ ra Relay hoặc transitor Sourcing

- Thời gian duy trì khi mất nguồn 10 ms

- Cầu chì bên trong 2A/250V - Công tắc chọn mode

- Không có cách ly nguồn điện

- Sử dụng cáp PC/PPI chuyển đổi giữa RS232 và RS485 - Chuyển đổi và

kết nối như hình sau

Chân PS845

Hình 5 Kết nối PLC với máy tính

Bộ điều khiển lập trình S7-200 được chia thành 4 vùng nhớ Với 1 tụ có nhiệm vụduy trì dữ liệu trong thời gian nhất định khi mất nguồn bộ nhớ S7-200 có tính năngđộng cao, đọc và ghi trong phạm vi toàn vùng loại trừ các bít nhớ đặc biệt SM( Special Memory) chỉ có thể truy nhập để đọc.

- Vùng chương trình:Là vùng bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ các lệnh chương

trình vùng này thuộc bộ nhớ trong đọc và ghi được

Vùng tham số:Là vùng lưu giữ các tham số như: Từ khoá, địa chỉ trạm….cũng

giống như vùng chương trình thuộc bộ nhớ trong đọc và ghi được

Vùng dữ liệu:Là vùng nhớ động được sử dụng cất các dữ liệu của chương trình bao

gồm các kết quả các phép tính nó được truy cập theo từng bit từng byte vùng này

được chia thành những vùng nhớ với các công dụng khác nhau - Vùng I (Input

image register): Là vùng nhớ gồm 16 byte I (đọc/ghi): I.O - I.15

- Vùng Q (Output image register): Là vùng nhớ gồm 16 byte Q (đọc/ghi):

- SM200-SM549 đọc/ghi của các module mở rộng

Vùng đối tượng:Là timer (định thì), counter (bộ đếm) tốc độ cao và các cổng

vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng vùng này không thuộc kiểu non – volatile nhưng đọc ghi được

-Timer (bộ định thì): đọc/ghi T0 -T255

-Counter (bộ đếm): đọc/ghi C0 - C255

-Bộ đệm vào analog (đọc): AIW0 - AIW30

-Bộ đệm ra analog (ghi): AQW0 - AQW30

-Accumulator (thanh ghi): AC0 - AC3

-Bộ đếm tốc độ cao: HSC0 - HSC5

Tất cả các miền này đều có thể truy nhập được theo từng bit, từng byte, từng

từ đơn (word – 2byte), từ kép (Double word)

Cấu trúc chương trình:

- Chương trình cho S7-200 phải có cấu trúc bao gồm chương trình chính (mainprogram) sau đó đến các chương trình con và các chương trình xử lý ngắt -Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình

(MEND)

- Các chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chương trình, nếu cần sử dụngchương trình xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc MEND.

Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trìnhchính, sau đó đến ngay các chương trình xử lý ngắt bằng cách viết như vậy cấutrúc chương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc chương trình cóthể trộn lẫn các chương trình con và chương trình xử lý ngắt đằng sau chươngtrình chính

Hình 6 Mô tả lệnh LD và LDN Các dạng khác nhau của lệnh LD,LDN:

• UTPUT (=):

Lệnh sao chép nội dung của bit đầu tiên trong ngăn xếp vào bit được chỉđịnh trong lệnh Nội dung ngăn xếp không bị thay đổi.

b. Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm:

• 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 dòng điện đóng hay ngắt các cuộn dây đầu ra Khidòng 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 hoặcmột dãy các tiếp điểm (giới hạn từ 1 đến 255) Nội dung của ngăn xếp không bịthay đổi bởi các lệnh này

VD: Khi tiếp điểm I0.0 đóng lệnh Set hoặc Reset sẽ đóng (ngắt) mộtmảng gồm n (5) tiếp điểm kể từ Q0.0

Mô tả lệnh S (Set) và R (Reset) :

c. 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, mắcnối 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 cáclệnh AN (And Not), ON (Or Not) cho các hàm kín Giá trị của ngăn xếp thay đổiphụ thuộc vào từng lệnh

• AND (A)

• AND NOT (AN)

Tín hiệu ra sẽ là nghịch đảo của tín hiệu vào

• OR (O).

Tín hiệu ra sẽ bằng 1 khi ít nhất có một tín hiệu vào bằng 1

d. Các lệnh về tiếp điểm đặc biệt:

• Tiếp điểm nào tác động cạnh xuống, tác động cạnh lên:

Có thể dùng các lệnh tiếp điểm đặc biệt để phát hiện sự chuyển tiếp trạngthái của xung (sườn xung) và đảo lại trạng thái của dòng cung cấp (giá trị đỉnhcủa ngăn xếp) LAD sử dụng các tiếp điểm đặc biệt này để tác động vào dòngcung cấp Các tiếp điểm đặc biệt này không có toán hạng riêng của chúng vì thếphải đặt chúng phía trước cuộn dây hoặc hộp đầu ra Tiếp điểm chuyển tiếpdương/âm (các lệnh trước và sườn sau) có nhu cầu về bộ nhớ, bởi vậy đối vớiCPU 224 có thể sử dụng nhiều nhất là 256 lệnh.

Biểu đồ thời gian

I0.0

Q0.0

Q0.2

Q0.1

Hình 7 - Giản đồ thời gian các tiếp điểm đặc biệt

• Tiếp điểm trong vùng nhớ đặc biệt:

- SM0.0: Vòng quét đầu tiên thì mở nhưng từ vòng quét thứ 2 trở đi thì đóng

- SM0.1: Ngược lại với SM0.0, vòng quét đầu tiên tiếp điểm này đóng, kể từ vòngquét thứ 2 thì mở ra và giữ nguyên trong suốt quá trình hoạt động

- SM0.4: Tiếp điểm tạo xung với nhịp xung với chu kì là 1 phút

- SM0.5: Tiếp điểm tạo xung với nhịp xung với chu kì là 1 giây

e Các lệnh thời gian (Timer)

• Các lệnh điều khiển thời gian Timer :

Timer là bộ tạo thời gian trễ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra nên trong điềukhiển vẫn thường gọi là khâu trễ Nếu kí hiệu tín hiệu (logic) vào là x(t) và thờigian trễ tạo ra bằng Timer là τ thì tín hiệu đầu ra của Timer đó sẽ là x (t – τ)