Giáo trình PLC nâng cao - Đỗ Sĩ Nguyên

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ HÀ TĨNH

GIÁO TRÌNH

PLC NÂNG CAO

Hà Tĩnh, năm 2020

LỜI GIỚI THIỆU

Tự động hóa công nghiệp và dân dụng ngày càng phát triển. Bộ não trong các hệ

thống tự động hóa đó là các bộ điều khiển lập trình.Việc học tập nghiên cứu các bộ

điều khiển lập trình cũng như vận hành nó đang là nhu cầu cấp thiết đối với học sinh,

sinh viên các ngành kỹ thuật. Và quyển giáo trình PLC cơ bản trước đó của tác giả đã

ra đời nhằm mục đích tạo ra một tài liệu học tập về loại PLC thế hệ mới của Siemens

đáp ứng nhu cầu của học sinh và sinh viên.

Tuy nhiên những kiến thức ở quyển giáo trình PLC cơ bản chưa giải quyết được

hết những bài toán phức tạp đặt ra trong thực tiễn. Vì vậy quyển giáo trình này ra đời

với mục tiêu giúp cho các đối tượng học sinh, sinh viên học nghề có thể tiếp cận dễ

dàng hơn những kiến thức nâng cao bộ điều khiển khả trình này qua đó có thể ứng

dụng giải quyết những bài toán phức tạp hơn trong tương lai.

Tài liệu này được chia làm 4 bài, giới thiệu các kiến thức nâng cao về PLC và HMI

của Siemens. Mỗi bài ngoài phần lý thuyết cơ bản còn bổ sung thêm các ví dụ minh

họa và các bài toán điều khiển ngoài thực tế giúp cho học sinh sinh viên nắm rõ hơn

về loại PLC và HMI này. Dù đã rất cố gắng tuy nhiên tài liệu không thể tránh khỏi

những sai sót. Rất mong sự góp ý chân thành của quý đọc giả để giúp tài liệu ngày

càng hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến góp ý xin được gửi về địa chỉ email

dosinguyenbkdn@gmail.com. Xin chân thành cảm ơn.

Hà Tĩnh, ngày 20 tháng 05 năm 2020

Tham gia biên soạn

Đỗ Sĩ Nguyên - Chủ biên

CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN

Tên mô đun: PLC nâng cao

Mã mô đun: MĐ18

Thời gian thực hiện mô đun: 60 giờ; (Lý thuyết: 15 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo

luận, bài tập: 43 giờ; Kiểm tra: 2 giờ)

I. Vị trí, tính chất của mô đun:

- Vị trí: Mô đun PLC nâng cao được thực hiện sau khi sinh viên đã học xong tất

cả các môn học mô đun cơ sở và chuyên môn nghề liên quan như: Trang bị điện, PLC

cơ bản, Kỹ thuật cảm biến, Lắp và cài đặt biến tần.

- Tính chất: Là mô đun trong phần chuyên môn nghề

II. Mục tiêu mô đun:

- Về kiến thức:

 Trình bày được nguyên lý điều khiển động cơ KĐB 3 pha thông qua PLC

và biến tần bằng tín hiệu số hoặc tín hiệu Analog;

- Về kỹ năng:

 Thiết kế được giao diện điều khiển bằng HMI;

 Lắp đặt và lập trình được các mạch điện điều khiển động cơ KĐB 3 pha

thông qua PLC và biến tần bằng tín hiệu số hoặc tín hiệu Analog;

 Cài đặt được các tham số của biến tần;

 Sửa chữa được những lỗi phát sinh trong quá trình hoàn thiện sản phẩm;

- Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, tuân

thủ đúng quy trình trong quá trình thực hành.

III. Nội dung mô đun:

1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:

Thời gian(giờ)

Số

Thực hành, thí

nghiệm, thảo

luận, bài tập

Tên các bài trong mô đun

Tổng

Lý

Kiểm

tra

TT

số thuyết

12

3

9

Bài 1: Màn hình điều khiển HMI

1. Tổng quan về màn hình điều khiển

HMI

1

2. Thiết kế giao diện HMI

2.1. Button

2.2. Switch

2.3. I/O field

2.4. Symbolic I/O field

Bài 2: Lập trình sử dụng chương

trình con FB/FC

8

2

4

6

1. Lập trình với chương trình con FC

2. Khối dữ liệu Data Block

2

3

3. Lập trình với chương trình con FB

16

11

1

Bài 3: Xử lý tín hiệu Analog

1.Giới thiệu về tín hiệu Analog

2. Đấu nối tín hiệu Analog

3. Lập trình xử lý tín hiệu Analog

3.1. Lập trình đọc tín hiệu Analog

3.2. Lập trình xuất tín hiệu Analog

Bài 4 : Lập trình điều khiển động

cơ KĐB 3 pha thông qua biến tần

24

6

17

1

1. Giới thiệu về biến tần

4

2. Các phương pháp điều khiển biến

tần sử dụng PLC

3. Lập trình điều khiển biến tần bằng

tín hiệu số

4. Lập trình điều khiển biến tần bằng

tín hiệu analog

2

Cộng

60

15

43

BÀI 1: MÀN HÌNH ĐIỀU KHIỂN HMI

I. Mục tiêu bài học

- Trình bày được các bước thiết lập một dự án lập trình sử dụng HMI trên phần

mềm Tia Portal;

- Thiết lập được một dự án lập trình sử dụng HMI trên phần mềm Tia Portal;

- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, tuân thủ đúng quy trình trong quá trình

II. Nội dung

1. Tổng quan về màn hình điều khiển HMI

1.1. Định nghĩa

- HMI là từ viết tắt của Human-Machine-Interface, nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa

người điều hành và máy móc thiết bị. Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con

người “giao tiếp” với một máy móc qua 1 màn hình giao diện thì đó là một HMI

1.2. Vị trí và ứng dụng

- Trong hệ thống tự động hóa toàn diện thì HMI đứng ở vị trí cấp điều khiển và giám

sát:

- Một số ứng dụng của HMI đó là:

 Hỗ trợ người vận hành điều khiển một cách trực quan các quá trình hoạt động

của một máy nói riêng và cả hệ thống nhà máy nói chung;

 Giám sát, thu thập, báo cáo và lưu trữ các dữ liệu sản xuất của nhà máy nhằm

hỗ trợ việc quản lý và khai thác một cách hiệu quả các máy sản xuất đóng góp

vào việc tăng hiệu suất cũng như chất lượng của sản phẩm;

 Hỗ trợ cảnh báo các sự cố có thể xảy ra cho người vận hành, giúp cho quá trình

bảo trì và bảo dưỡng diễn ra thuận lợi.

 Đảm bảo tính an toàn trong vận hành sản xuất…

1.3. Phân loại

HMI thường có hai loại chính đó là:

 HMI trên nền tảng PC, đó là các màn hình máy tính hiển thị giao diện điều

khiển giám sát trong hệ thống SCADA hoặc DCS;

 HMI trên nền tảng nhúng, đó là các màn hình điều khiển giám sát riêng lẻ đặt

trên tủ điện

ist:

Hoàn thiện thiết kế:

Kết quả sản phẩm:

BÀI 2: LẬP TRÌNH SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH CON FB/FC

I. Mục tiêu bi học

- Trình bày được những ưu điểm của việc lập trình sử dụng chương trình con

FB/FC;

- Lập trình được một chương trình PLC sử dụng chương trình con FB/FC;

- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, tuân thủ đúng quy trình trong quá trình

II. Nội dung

1. Hệ điều hành và chương trình ứng dụng

Mỗi CPU có chứa một hệ điều hành để tổ chức và quản lý việc thực thi chương

trình, trình tự hoạt động của CPU sẽ độc lập với các tác vụ điều khiển. Nhiệm vụ của

hệ điều hành thực hiện các công việc sau:

 Thực hiện warm restart

 Cập nhật bộ nhớ process image của ngõ vào và ngõ ra

 Thực hiện chương trình chính

 Thực thi chương trình ngắt khi gặp sự kiện ngắt

 Phát hiện và xử lý các lỗi xảy ra

 Quản lý các vùng nhớ

Chương trình chính được tạo ra để thực hiện tác vụ cần điều khiển. Nhiệm vụ

của chương trình chính như sau:

 Kiểm tra các điều kiện để thực hiện warm restart bằng khối khởi động

 Thực thi các nhiệm vụ trong chương trình

 Thực thi các chương trình ngắt khi gặp sự kiện ngắt

 Xử lý các lỗi xảy ra khi thực hiện chương trình

2. Khối tổ chức (Organization Block)

Khối tổ chức tạo ra giao tiếp giữa hệ điều hành và chương trình ứng dụng.Nó

được gọi từ hệ điều hành và thực hiện các nhiệm vụ sau:

 Xử lý chương trình theo chu kỳ(Ví dụ như OB1)

 Startup characteristics of the controller

 Xử lý chương trình ngắt

 Xử lý các lỗi phát sinh

Mỗi project cần có tối thiểu một khối tổ chức (OB1)

Khi một sự kiện xảy ra, trình tự hoạy động của các khối OB cs thể xảy ra như

sau:

 Nếu một OB đã được gán cho sự kiện, sự kiện này sẽ kích hoạt việc thực thi

OB được gán. Nếu mức độ ưu tiên của OB được gán lớn hơn mức ưu tiên của

OB hiện đang được thực thi, thì nó được thực thi ngay lập tức (ngắt). Nếu

không, OB được gán sẽ đợi cho đến khi OB ưu tiên cao hơn được thực thi

hoàn toàn

 Nếu bạn chưa gán OB cho sự kiện, phản ứng hệ thống mặc định được thực

hiện.

3. Bộ nhớ Process image và chương trình vòng quét

Khi thực hiện chương trình CPU sẽ không trực tiếp truy cập vào các mô đun vào/ra

mà nó sẽ truy cập thông qua mộ vùng nhớ gọi là process image.Tiến trình đó được

thực hiện như sau:

 Bắt đầu vòng quét, chương trình sẽ gửi một thông điệp để kiểm tra trạng thái tín

hiệu nào của ngõ vào vật lý. Trạng thái của ngõ vào đã được cập nhật tại bộ nhớ

process image of the inputs (PII). Bằng việc đọc nội dung của bộ nhớ này CPU sẽ

xác định được trạng thái hiện tại của các ngõ vào này

 Sau khi đọc trang thái tín hiệu ngõ vào xong CPU sẽ thực thi các lệnh trong

chương trình và kết quả trạng thái của các ngõ ra sẽ được cập nhật vào bộ nhớ

process image of the outputs (PIQ)

 Kết thúc vòng quét vùng nhớ process image of the outputs (PIQ) sẽ chuyển

trạng thái của các ngõ ra vào mô đun ngõ ra vật lý để thực thi đóng cắt các cổng

này. Và trình tự như vậy cứ diễn ra liên tục cho đến khi dừng chương trình vòng

quét

Chú ý: Thời gian để CPU cần để thực thi một chu trình như vậy gọi là một chu kỳ

quét.Thời gian này nó phụ thuộc vào độ dài của chương trình và hiệu năng của CPU

4. Hàm (Functions)

Định nghĩa: Hàm (FC) là một đoạn chương trình để thực thi một nhiệm vụ cụ thể.

Chức năng: Khi được gọi hàm nó sẽ thực thi đoạn chương trình có sẵn trong nó và có

thể được sử dụng khi cần thực hiện một tác vụ lặp đi lặp lại. Ví dụ:

 Hàm xử lý toán học

 Hàm xử lý kỹ thuật

 Hàm xử lý quy trình…

Một hàm có thể được gọi nhiều lần tại các thời điểm khác nhau trong chương trình

Ví dụ: Xậy dựng hàm điều khiển bằng tay cho trạm phân loại sử dụng băng tải được

mô tả như sau:

Trạm phân loại sử dụng băng tải được cấp điện bằng công tắc nguồn chính Q0,

khi bật Q0 thì rơ le K0 tác động đưa tín hiệu báo có nguồn về PLC. Trạm phân loại có

hai chế độ hoạt động là bằng tay “Manual” và tự động “Auto” được lựa chọn bởi công

tắc S0 (Manual =0, Auto = 1).

Trong chế độ bằng tay “Manual” thì băng tải sẽ chạy khi thỏa mãn các điều kiện

sau:

 Tín hiệu cho phép băng tải chạy ở mức logic “1”

 Công tắc chọn chế độ đang ở vị trí Manual

 Một trong hai nút nhấn S3 (quay thuận) hoặc S4 (quay ngược) được nhấn,

nếu nhả ra thì băng tải dừng

 Công tắc dừng khẩn cấp chưa tác động

Tín hiệu cho phép băng tải chạy ở mức logic “1” khi thoãn mãn các điều kiện

sau:

 Công tắc nguồn chính được bật

 Xy lanh M4 ở trạng thái thu về

 Hai nút nhấn S3 và S4 không được nhấn cùng một lúc

Địa

chỉ

Kiểu

dữ liệu

Ký

hiệu

Chức năng

Công tắc dừng khẩn

Ghi chú

I 0.0

BOOL

A1

NC

I 0.1

BOOL

K0

Công tắc nguồn chính

NO

Công tắc chọn chế độ Manual/Auto

(Manual =0, Auto = 1)

I 0.2

I 0.5

I 1.4

BOOL

S0

B1

S3

Cảm biến xy lanh M4 khi thu về

NO

Nút nhấn cho băng tải quay thuận

trong chế độ manual

Nút nhấn cho băng tải quay ngược

trong chế độ manual

I 1.5

BOOL

S4

NO

Q 0.0

-Q1

Băng tải quay thuận

Căn cứ vào yêu cầu bài toán ta sẽ xây dựng một hàm điều khiển băng tải trong

chế độ bằng tay đặt tên là “Manual_mode”

Bước 1: Xác định được các tham số đầu vào và đầu ra của hàm

Các tham số đầu vào của hàm “Manual_mode” là các điều kiện để băng tải chạy

trong chế độ bằng tay.Cụ thể đó là:

 Tín hiệu từ công tắc lựa chọn chế độ

 Tín hiệu cho phép băng tải chạy

 Tín hiệu chạy băng tải

 Tín hiệu dừng khẩn

Tham số đầu ra của hàm “Manual_mode” là tín hiệu để kích hoạt các công tắc tơ

điều khiển băng tải.Như vậy để điều khiển băng tải chạy hai chiều ta có thể sử dụng

cùng một hàm FC1 nhưng tham số gán vào sẽ khác nhau tương ứng với mỗi chiều quay

Input

Kiểu dữ liệu

Ghi chú

Đưa vào tín hiệu chọn chế độ hoạt động

cho băng tải

Bật chế độ manual

BOOL

Tín hiệu chạy băng tải

BOOL

Đưa vào tín hiệu để băng tải chạy

Tín hiệu cho phép băng

tải chạy

BOOL

Điều kiện để băng tải chạy

Tín hiệu dừng khẩn

Output

Tín hiệu dừng khẩn băng tải

Băng tải chạy

BOOL

Ngõ ra công tắc tơ điều khiển băng tải

Bước 2: Xây dựng hàm

Mở rộng Program blocks => Add new block để tạo mới một hàm

Cửa sổ Add new

Trong chế độ tự động “Auto” thì băng tải sẽ hoạt động khi thỏa mãn các điều

kiện sau:

 Công tắc chọn chế độ ở vị trí Atuo

 Tín hiệu cho phép băng tải chạy ở mức logic “1”

 Chưa tác động công tắc dừng khẩn

Tín hiệu cho phép băng tải chạy ở mức logic “1” khi thoãn mãn các điều kiện

sau:

 Công tắc nguồn chính được bật

 Xy lanh M4 ở trạng thái thu về

Hoạt động của băng tải như sau: Ấn nhả Start thì băng tải tự động chạy thuận, Ấn

nhả Stop thì băng tải tự động dừng

Địa chỉ các tín hiệu vào/ra được cho ở bảng dưới

Kiểu

Địa chỉ

Ký hiệu

Chức năng

Ghi chú

dữ liệu

BOOL

I 0.0

I 0.1

-A1

-K0

Dừng toàn bộ băng tải

Bật công tắc chính

NC

NO

Chọn chế độ Manual/Auto

I 0.2

I 0.3

BOOL

-S0

-S1

(Manual =0, Auto = 1)

Start_Auto

NO

I 0.4

I 0.5

BOOL

-S2

-B1

Stop_Auto

NC

NO

Cảm biến xy lanh M4 khi thu về

Băng tải quay thuận (Tốc độ cố

định)

Q 0.0

BOOL

-Q1

Căn cứ vào yêu cầu bài toán ta sẽ xây dựng một Function block điều khiển băng

tải ở chế độ tự động đặt tên là “Auto_mode”

Bước 1: Xác định được các tham số đầu vào và đầu ra

Các tham số đầu vào của Function block “Auto_mode” bao gồm các điều kiện để

băng tải chạy ở chế độ tự động và tín hiệu từ hai nút nhấn Start, Stop.Cụ thể đó là:

 Tín hiệu từ công tắc lựa chọn chế độ

 Tín hiệu cho phép băng tải chạy

 Tín hiệu chạy băng tải Start

 Tín hiệu dừng băng tải Stop

 Tín hiệu dừng khẩn

Tham số đầu ra củaFunction “Auto_mode” là tín hiệu để kích hoạt các công tắc

tơ điều khiển băng tải chạy

Bước 2: Xác định các biến trung gian Static

Biến trung gian Static là bit nhớ cho quá trình khởi động băng tải, khi băng tải

khởi động bit nhớ được set lên mức logic “1” và khi dừng băng tải bit nhớ được set về

mức logic “0”

Kiểu dữ liệu

Ghi chú

Input

Bật chế độ auto

Kích hoạt chế độ auto

BOOL

Nhấn start_auto để băng tải bắt đầu

chạy trong chế độ tự động

Start_Auto

Stop_Auto

BOOL

Nhấn stop_auto để băng tải dừng

trong chế độ tự động

Tất cả các điều kiện sẵn sàng cho

băng tải hoạt động

Tín hiệu cho phép băng tải

chạy _Auto

Tín hiệu dừng băng tải hoạt động

trong cả hai chế độ

Tín hiệu dừng khẩn

Output

Tín hiệu điều khiển băng tải chạy

trong chế độ auto

Băng tải chạy chế độ auto

Static

BOOL

Bit nhớ dùng cho start/stop trong

chế độ auto

Bit Start/Stop

Bước 3: Xây dựng Function block

Mở rộng Program blocks => Add new block để tạo mới một Function block

Cửa sổ Add new block xuất hiện ta chọn Function block (FB), đặt tên và lựa chọn dạng

ngôn ngữ để viết => OK

FB Auto_Mode sẽ xuất hiện ở dưới main OB1

Như vậy ta đã tạo mới xong Function block FB1, tiếp theo sẽ khai báo các tham số

vào/ra và biến Static

Viết chương trình cho Function block FB1 dựa theo yêu cầu của bài toán

Bước 3: Gọi Function block và thực thi chương trình

Kéo và thả Function block FB1 vào chương trình chính

Xuất hiện cửa sổ mới => Nhấn ok để xác nhận data block đi kèm với function block

FB1

Gán các tag phù hợp vào function block FB1 theo yêu cầu của bài toán

Tín hiệu băng tải sẵn sàng chạy_auto ở đây được lập trình theo điều kiện của bài toán

6. Data Blocks

Khác với Functions và Function Blocks thì Data Blocks không phải là chương trình

mà là nơi lưu trữ dữ liệu.

Có hai dang Data Block đó là:

 Global data block: Dữ liệu lưu trữ ở đây có thể dùng được cho tất cả các hàm

có trong chương trình

 Instance data block: Dữ liệu lưu trữ ở đây chỉ được dùng cho một Function

Block tương ứng của nó

Hình trên cho ta thấy là các hàm: Function_10, Function_11, Function_12 có thể truy

cập dữ liệu trong Global data block, còn đối với dữ liệu ở Function data block 12 chỉ

có hàm Function_12 là có thể truy cập được

Ví dụ:

Cho hàm "Motor_Speed_Control" [FC3] và hàm "Motor_Speed_monitoring" [FC2]

được kết nối với các tag từ global data block "SPEED_MOTOR" [DB2].

Tốc độ đặt là 800 vòng/phút, tốc độ định mức là 1300 vòng/phút, tốc độ quá giới hạn

là 1500 vòng phút

Hướng dẫn lập trình:

Tạo mới Data block đặt tên là SPEED_MOTOR

Vào Data block:

Khai báo các giá trị:

BÀI 3: XỬ LÝ TÍN HIỆU ANALOG

I. Mục tiêu của bài:

- Trình bày được khái niệm tín hiệu Analog;

- Lập trình được một chương trình đọc và xuất tín hiệu analog

- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, tuân thủ đúng quy trình trong quá trình

II. Nội dung

1.Giới thiệu về tín hiệu analog

1.1.Khái niệm về tín hiệu analog

Tín hiệu Analog (hoặc tín hiệu tương tự) là kiểu tín hiệu có giá trị liên tục theo

thời gian. Khác với tín hiệu số chỉ có 2 giá trị logic là 0 và 1 thì tín hiệu Analog có vô

số giá trị nằm trong một khoảng xác định.

Tín hiệu analog là tín hiệu điện được chuyển đổi từ những đại lượng vật lý như :

nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, khối lượng…thông qua các cảm biến

Ví dụ về đại lượng analog:

 Nhiệt độ -50 đến +150 °C

 Lưu lượng 0 đến 200 l/min

 Áp suất khí nén từ 0-10 bar

 Khối lượng từ 0 – 200 Kg …

Có 2 loại dạng tín hiệu Analog được sử dụng trong công nghiệp là:

 Tín hiệu dạng dòng : 0 - 20 mA hoặc 4 - 20mA

 Tín hiệu dạng áp : 0 - 10V hoặc ±10V

Ví dụ: Một cảm biến siêu âm được dùng để đo mức nước trong một bồn chứa,

giá trị mức nước đo được là từ 0 đến 5m ứng với giá trị analog trả về là 4-20mA:

Thông thường trong công nghiệp người ta hay sử dụng tín hiệu Analog dạng dòng

(4-20 mA) vì những lý do sau:

 Tín hiệu analog dạng áp (0-10V) sẽ dễ bị sụt áp khi tín hiệu truyền đi trong

một khoảng cách xa, còn tín hiệu analog dạng dòng (4-20 mA) thì ít bị suy

giảm bởi khoảng cách;

 Trong trường hợp này nếu chúng ta dùng cảm biến có tín hiệu 0-10V thì khi

cảm biến bị hư hỏng hoặc bị đứt dây thì tín hiệu đưa về đều là 0V nên chúng

ta rất dể nhầm lẫn giữa cảm biến bị hư hỏng và cảm biến đang hoạt động nhưng

có giá trị là không 0V. Điều này rất nguy hiểm trong việc điều khiển tự động

hóa;

 Tín hiệu analog dạng áp (0-10V) dễ bị nhiễu bởi các yếu tố gây nhiễu như sóng

hài, từ trường… hơn so với tín hiệu analog dạng dòng (4-20 mA)

1.2. Mô đun Analog

Các đại lượng vật lý cần đo sẽ được chuyển đổi sang dạng áp hoặc dòng nhờ các

bộ chuyển đổi (Transducer) tích hợp trong cảm biến. Cảm biến sẽ chuyển đổi các đại

lượng đó thành tín hiệu analog

Những tín hiệu analog sẽ được kết nối đến mô đun ananlog nhằm mục đích số

hóa tín hiệu. Mô đun Analog chính là bộ chuyển đổi analog-to-digital (A/D) sẽ chuyển

đổi tín hiệu analog sang tín hiệu số dưới dạng một chuỗi bit(16 bit) hoặc là bộ chuyển

đổi digital-to-analog (D/A) sẽ chuyển đổi tín hiệu số ngược lại thành tín hiệu analog.

Như vậy sẽ có hai loại mô đun analog đó là mô đun đọc tín hiệu và mô đun xuất tín

hiệu

Tham số quan trọng nhất trong việc chuyển đổi ADC (Mô đun đọc analog) là độ

phân giải, độ phân giải càng cao thì số lượng bit càng nhiều và giá trị đọc về càng chính

xác. Ví dụ: nếu như mô đun analog chỉ có độ phân giải là 1 bit thì nó sẽ chỉ đọc được

2 dải giá trị là 0 – 5V và 5 - 10V, tương tự như vậy với độ phân giải là 2 bit thì mô đun

chỉ đọc được 4 dải giá trị là 0 - 2.5 / 2.5 - 5 / 5 - 7.5 / 7.5 - 10 V. Mô đun chuyển đổi

analog sang digital (A/D) thường có độ phân giải 8 bit, 11 bit hoặc cao hơn. Với độ

phân giải 8 bit nó sẽ đọc được 256 khoảng giá trị và tương ứng 11 bit là 2048 khoảng

giá trị

Với dòng PLC S7-1200 thì Siemens hỗ trợ tích hợp mô đun đọc tín hiệu analog

trên CPU, tuy nhiên mô đun này chỉ đọc được tín hiệu analog dạng áp là 0-10VDC vì

vậy để đọc được tín hiệu analog dạng dòng (0/4-20mA) thì cần mô đun chuyên biệt

hoặc signal boar gắn vào. Đó là các mô đun/signal board:

 Mô đun SM1231 analog input

 Mô đun SM1234 analog input/output

 Signal board SB1231 analog input

Còn đối với những ứng dụng cần điều khiển xuất tín hiệu analog thì bắt buộc

phải mua thêm mô đun hoặc signal board mở rộng. Cụ thể:

 Mô đun SM1232 analog output

 Mô đun SM1234 analog input/output

 Signal board SB1232 analog output

Sau đây là một vài tham số kỹ thuật của các mô đun/signal board đọc/xuất tín

hiệu analog:

Mô đun SM1231 analog input :

Mô đun SM1234 analog input/output:

Signal board SB1231 analog input:

Mô đun SM1232 analog output :

Signal board SB1232 analog output:

2. Đấu nối tín hiệu analog

2.1. Đấu nối tín hiệu ngõ vào analog

Dựa theo tài liệu của nhà sản xuất thì tín hiệu analog được đấu nối từ cảm biến đến

PLC như sau:

 Đối với cảm biến analog ngõ ra dạng áp (0 – 10V): nó có 2 dây dương (+) và

âm (-) sẽ đấu về hai chân dương (+) và âm (-) tương ứng trên PLC hoặc mô

đun Analog

 Đối với cảm biến analog ngõ ra dạng dòng (0/4-20mA): nó có các loại 2 dây,

4 dây sẽ có cách đấu như sau:

Ví dụ: Đấu nối tín hiệu analog của cảm biến siêu âm ngõ ra analog với CPU 1214C

Nếu sử dụng ngõ ra ananlog dạng áp (0 – 10V) thì có thể đấu trực tiếp với ngõ vào

Analog của CPU:

 Nối chung nguồn cấp cho PLC và cảm biến

 Nối chân số 2 của cảm biến vào chân AI0 của PLC

 Nối chân số 3 của cảm biến vào chân 2M của PLC

Nếu sử dụng ngõ ra ananlog dạng dòng (4 – 20mA) thì ta không thể đấu trực tiếp với

ngõ vào Analog của CPU mà phải gắn thêm signal board SB 1231AI hoặc mô đun

mở rộng analog input SM 1231 AI:

 Nối chung nguồn cấp cho PLC và cảm biến

 Nối chân R với chân 0+

 Nối chân số 4 của cảm biến vào chân 0+ còn lại của

signal board

 Nối chân số 3 của cảm biến vào chân 0- của signal

board

2.1. Đấu nối tín hiệu ngõ ra analog

Dựa theo tài liệu của nhà sản xuất thì tín hiệu ngõ ra analog được đấu nối từ PLC đến

thiết bị chấp hành:

Chân 0M (Analog output) sẽ đấu nối với chân analog input AI- của thiết bị cần điều

khiển

Chân 0/1 (Analog output) sẽ đấu nối với chân analog input AI+ của thiết bị cần điều

khiển

Ví dụ: Đấu nối tín hiệu ngõ ra analog của PLC S7-1200 CPU 1215C với biến tần

Danfoss FC51

Ngõ ra analog của CPU 1215C

Hướng dẫn đấu nối

 Nối chân 2M của PLC với chân 55 của biến

tần

 Nối chân AQ0 của PLC với chân 60 của

biến tần

(Lưu ý: Ngõ ra analog của PLC S7-1200

CPU 1215C là ngõ ra dạng dòng (0/4 –

20mA)

3. Lập trình xử lý tín hiệu Analog

3.1. Các hàm xử lý tín hiệu analog

3.1.1. Hàm Normal_X

Ký hiệu:

Ví dụ:

Lệnh NORM_X dùng để chuyển đổi giá trị đầu vào nằm trong giới hạn [Min,

Max] với ngõ ra thay đổi tuyến tính trong giới hạn [0.0, 1.0]

Công thức toán học của lệnh NORM_X là:

OUT = (VALUE – MIN) / (MAX-MIN)

Các tham số của lệnh NORM_X:

Tham

Khai

báo

Kiểu dữ liệu

Vùng nhớ

Mô tả

số

I, Q, M, D, Ngõ vào cho phép

L or constant hoạt động

EN

ENO

Input BOOL

Output BOOL

I, Q, M, D,

Ngõ ra cho phép

hoạt động

L

Integers, floating- I, Q, M, D,

Giới hạn dưới của giá

MIN

Input

point numbers

L or constant trị

Integers, floating- I, Q, M, D,

VALUE

Giá trị đưa vào

point numbers

L or constant

Integers, floating- I, Q, M, D,

Giới hạn trên của

MAX

OUT

Input

point numbers

L or constant giá trị

I, Q, M, D,

Kết quả đầu ra nằm

trong giới hạn [0.0,

1.0]

Floating-point

numbers

Output

L

Đồ thị biểu diễn hoạt động của lệnh NORM_X

3.1.2. Hàm Scale_X

Ký hiệu:

Ví dụ:

Lệnh SCALE_X dùng để chuyển đổi giá trị ngõ vào VALUE sang tầm giá trị

mới phù hợp với yêu cầu sử dụng. Khi hàm SCALE được thực hiện thì giá trị VALUE

được chuyển đổi nằm trong giới hạn [Min, Max] và được lưu trữ vào vùng nhớ OUT

Công thức toán học của lệnh SCALE_X là:

OUT = [VALUE * (MAX – MIN)] + MIN

Các tham số của lệnh SCALE_X:

Tham

Khai

báo

Kiểu dữ liệu

BOOL

Vùng nhớ

Mô tả

số

I, Q, M, D, Ngõ vào cho phép

L or constant hoạt động

EN

ENO

Input

I, Q, M, D,

Ngõ ra cho phép

hoạt động

Output BOOL

L

Integers, floating- I, Q, M, D,

Giới hạn dưới của giá

MIN

Input

point numbers

L or constant trị value

Integers, floating- I, Q, M, D,

VALUE

Giá trị ngõ vào

point numbers

L or constant

Integers, floating- I, Q, M, D,

Giới hạn trên của

MAX

OUT

point numbers

L or constant giá trị value

I, Q, M, D,

Kết quả đầu ra trả

về trong giới hạn

[Min, Max]

Floating-point

numbers

Output

L

Đồ thị biểu diễn hoạt động của lệnh SCALE_X

3.2. Lập trình đọc tín hiệu Analog

3.2.1. Cơ sở lý thuyết

Trong thực tế có rất nhiều cảm biến đọc tín hiệu tương tự như: Cảm biến nhiệt

độ, cảm biến áp suất, cảm biến siêu âm, cảm biến màu, cảm biến lưu lượng…. các

cảm biến này trả về các tín hiệu tương tự chuẩn như:

 Tín hiệu dòng điện: 0/4 – 20mA

 Tín hiệu điện áp: ±10V, 0-10V, ±5V, 0-5V

Tín hiệu tương tự trả về từ cảm biến qua mô đun đọc analog sẽ được bộ ADC

chuyển đổi sang dạng số Interger. Và dưới đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa

giá tri cần đo trong thực tế và giá trị chuyển đổi tại mô đun analog

Với:

 Hi_Lim là giá trị đo lớn nhất cảm biến thu được

 Lo_Lim là giá trị nhỏ nhất cảm biến thu được

 K1 là giá trị chuyển đổi tương ứng với giá trị Lo_Lim

 K2 là giá trị chuyển đổi ứng với giá trị Hi_Lim

Từ đồ thị này ta thấy tín hiệu Analog trả về là một tín hiệu tuyến tính, từ đó chúng

ta sẽ viết được phương trình tính toán giá trị analog đo được từ tín hiệu của cảm biến

như sau:

OUT = [((Float(IN) - K1)/(K2-K1)) * (Hi_Lim – Lo_Lim)] + Lo_Lim

Trong đó:

 OUT : Là giá trị thực tế cần đo (Lo_Lim ≤ OUT ≤ Hi_Lim)

 IN: là giá trị sau khi được chuyển đổi ở mô đun đọc analog

Dựa vào công thức của lệnh NORM_X và SCALE_X thì chúng ta có thể kết hợp hai

lệnh trên để tạo ra thuật toán chuyển đổi tín hiệu analog như sau:

3.2.2.Yêu cầu công nghệ:

Một cảm biến siêu âm được dùng để đo mức nước trong một bồn chứa, giá trị

mức nước được giám sát là từ 0.2 m đến 5m ứng với giá trị analog từ cảm biến trả về

là 0 – 10V. Xây dựng chương trình giám sát mức nước của bồn chứa hiển thị trên HMI

Muốn đo được mức nước tại bồn chứa ta phải đọc được giá trị của tín hiệu analog

trả về từ cảm biến. Mặt khác giá trị analog trả về từ cảm biến khi qua bộ chuyển đổi sẽ

chuyển thành các giá trị số theo quy định của Siemens. CPU sau đó sẽ đọc các giá trị

chuyển đổi này từ địa chỉ ngõ vào analog.

Giá trị analog đọc về PLC sẽ được chuyển đổi thành giá trị số kiểu Int. Giá trị đó

nằm trong khoảng từ 0 – 27648 tương ứng với 0 – 10V theo quy định của Siemens:

3.2.3. Hướng dẫn lập trình

Bước 1: Khởi tạo project với PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC

Bước 2: Truy cập phần cứng CPU để kiểm tra địa chỉ thanh ghi analog input: Device

configuration  Device view  CPU…Properties  AI 2  I/O Address

PLC S7-1200 CPU 1214C có hai ngõ vào analog là AI 1 và AI 2 tương ứng có hai

thanh ghi chứa giá trị chuyển đổi từ mô đun analog. Địa chỉ của hai thanh ghi đó là

IW64 và IW66

Bước 3: Khai báo các tag theo yêu cầu bài toán

Khai báo tag Tín hiệu analog ngõ vào với địa chỉ là IW64 (Địa chỉ bắt đầu của

thanh ghi analog input)

Khởi tạo một Data block đặt tên là Data_analog để lưu trữ các giá trị thực tế cần

giám sát:

Bước 4: Tạo một Function đặt tên là: Đo giá trị mức nước [FC5] và viết chương trình

Khai báo các tham số cho Function:

Viết chương trình cho Function:

Bước 5: Gọi hàm và gán các tham số tương ứng

Bước 6: Xây dựng giao diện giám sát HMI:

3.3. Lập trình xuất tín hiệu Analog

3.3.1. Cơ sở lý thuyết

Để xuất tín hiệu analog thì PLC S7-1200 CPU 1214C cần phải gắn thêm một mô

đun hoặc signal board analog output. Mô đun này sẽ có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị số

trong t khoảng từ 0 – 27648 sang giá trị điện áp (0 – 10V) hoặc dòng điện (0/4 – 20mA)