Nguyễn Đức Tuấn
DẪN NHẬP
Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (programmable controller) đã
được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Moto -
Mỹ). Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử
dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống. Vì vậy các nhà
thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành,
nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các
thiết bị lập trình ngoại vi hổ trợ cho công việc lập trình.
Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay
(programmable controller handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969.
Điều này đã tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập
trình. Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ
đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều
khiển cổ điển. Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo
ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là dạng lập
trình dùng giản đồ hình thang (The diagroom format). Trong những năm
đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận
hành với những thuật toán hổ trợ (arithmetic), “vận hành với các dữ liệu
cập nhật” (data manipulation). Do sự phát triển của loại màn hình dùng
1
Nguyễn Đức Tuấn
cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp giữa người
điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn.
Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến
nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức
năng mở rộng: hệ thống ngõ vào và ra có thể tăng lên đến 8.000 cổng
vào và ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128.000 từ bộ
nhớ (word of memory). Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết
nối với các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng
khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Tốc độ xử lý của hệ thống được cải

 Cấu hình của một trạm PLC S7-300 như sau:
Hình 1.1: Các khối trên một thanh rack của trạm PLC S7-300.
 Module CPU: chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời
gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)… và có thể có vài cổng vào và
ra số onboard.
 PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau, chúng được đặt tên theo bộ
vi xử lý có trong CPU như CPU312, CPU314, CPU315, CPU316,
CPU318…
 Những Module cùng có chung bộ vi xử lý nhưng khác nhau về cổng vào
và ra onboard, khác nhau về các khối hàm đặc biệt có sẵn trong thư viện
của hệ điều hành được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng cách thêm
Nguyễn Đức Tuấn
cụm từ IFM (Intergrated Function Module). Ví dụ Module CPU314
IFM.
 Ngoài ra còn có các loại Module CPU với hai cổng truyền thông, trong
đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối
mạng phân tán có kèm theo những phần mềm tiện dụng được cài đặt sẵn
trong hệ điều hành. Các loại CPU này được phân biệt với các CPU khác
bằng tên gọi thêm cụm từ DP (Distributted Port) trong tên gọi. Ví dụ
Module CPU 314C-2DP…
Hình 1.2: Các Module tích hợp CPU của PLC S7-300.
• AO (Analog output): Module mở rộng các cổng ra tương tự. Chúng là
những bộ chuyển đổi số tương tự (DA). Số các cổng ra tương tự có
thể là 2, 4 hoặc 8 tùy thuộc từng loại.
• AI/AO (Analog input/Analog output): Module mở rộng vào/ra
tương tự. Số cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/4
ra tùy từng loại Module.
Nguyễn Đức Tuấn
• IM (Interface Module): Module ghép nối. Đây là loại Module chuyên
dụng có chức năng nối các nhóm Module mở rộng lại với nhau

 Ngoài ra, CPU còn có các đèn chỉ báo giúp người sử dụng chẩn đoán
được trạng thái hiện tại của PLC.
• SF: báo lỗi trong nhóm, trong CPU hay trong các Module.
• BATF: lỗi pin, hết pin hoặc không có pin.
• DC5V: báo có nguồn 5V.
• FRCE: báo ít nhất có một ngỏ vào và ra đang bị cưỡng bức hoạt động.
• RUN: nhấp nháy khi CPU khởi động và sáng khi CPU làm việc.
• STOP: sáng khi PLC dừng, chớp chậm khi có yêu cấu reset bộ
nhớ, chớp nhanh khi đang reset bộ nhớ.
• Các thành phần khác trên CPU:
• Card nhớ: dùng để lưu chương trình mà không cần pin trong trường
hợp mất điện.
• Ngăn để pin: nằm dưới nắp, chứa pin cung cấp năng lượng cho RAM
khi mất điện.
• Đầu nối MPI: đầu nồi dành cho thiết bị lập trình hay các thiết bị cần
giao tiếp qua cổng MPI.
• Đầu nối điện 24V: cung cấp nguồn cho CPU.
Nguyễn Đức Tuấn
1.4 CÁC KIỂU DỮ LIỆU:
 Tương tự như PLC S7-200, các kiểu dữ liệu sử dụng trong chương trình
của PLC
S7-300 gồm có:
• BOOL: có dung lượng 1 bit, giá trị là 0 hoặc 1, sử dụng cho biến có 2
giá trị
• BYTE: dung lượng 8 bit, thường dùng biểu diễn số nguyên dương từ
0 đến 255,mã BCD của số thập phân 2 chữ số, mã ASCII của ký tự,…
• WORD: dung lượng 2 byte, biểu diễn số nguyên dương từ 0 đến
65535.
• INT: dung lượng 2 byte, biểu diễn số nguyên từ -32768 đến 32767.
• DINT: dung lượng 4 byte biểu diễn số nguyên từ -2147483648 đến

• Khối DB (Data Block): là khối chứa các dữ liệu cần thiết để
thực hiện
chương trình. Các tham số của khối này do người sử dụng tự
đặt. Một
chương trình có thể có nhiều khối DB, chúng được phân biệt dựa
theo số
nguyên gán thêm phía sau, DB1, DB2,
• Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng các
lệnh gọi khối, chuyển khối.
1.5 CÁC KHỐI OB ĐẶC BIỆT:
 Nếu OB1 là khối được thực hiện liên tục trong từng vòng quét thì các
khối OB khác chỉ được thực hiện khi có tín hiệu báo ngắt tương ứng.
Nguyễn Đức Tuấn
Chương trình viết cho các khối này chính là các chương trình xử lý tín
hiệu ngắt, bao gồm:
• OB10 (Time of date interrupt): chương trình trong khối OB10 sẽ
được thực khi giá trị của đồng hồ thời gian thực nằm trong một
khoảng thời gian đã quy định. OB10 có thể gọi một lần hay nhiều
lần cách đều nhau từng phút, từng giờ, từng ngày…
• OB20 (Time delay interrupt): chương trình trong khối OB20 sẽ
được thực hiện sau một koảng thời gian trễ đặt trước kể từ khi gọi
chương trình hệ thống SFC32 để đặt thời gian trễ.
• OB35 (Cyclic interrupt): chương trình trong OB35 sẽ được thực
hiện cách đều nhau một khoảng thời gian nhất định. Mặc định thời
gian này là 100ms, song ta có thể thay đổi nó trong bảng tham số của
CPU nhờ phần mềm STEP7.
• OB40 (Hardware interrupt): OB40 sẽ được thực hiện khi có tín hiệu
ngắt từ ngoại vi đưa vào CPU thông qua cổng vào ra số onboard
đặc biệt, hoặc thông qua Module SM, CP, FM.
• OB80 (Cycle time fault): được thực hiện khi thời gian vòng quét

)()(
1
)()(
0
teTde
T
tektu
D
t
I
p
++=
∫
ττ
trong đó e(t) là tín hiệu vào, u(t) là tín hiệu của ra của bộ điều khiển, k
p
là hệ số khuếch đại của luật điều khiển tỉ lệ, T
I
hằng số thời gian tich
phân, T
D
là hằng số thời gian vi phân.
Hình 1.5 Điều khiển với bộ điều khiển PID
 Với bộ điều khiển PID, người ta dễ dàng tích hợp các luật điều khiển
điều khiển khác nhau như luật điều khiển tỉ lệ (luật P), điều khiển tỉ lệ -
tích phân (luật PI), điều khiển tỉ lệ -vi phân (luật PD). Bộ điều khiển PID
Nguyễn Đức Tuấn
luôn là phần tử không thể thay thế được trong các quá trình tự động
khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ…
 Một trong những ứng dụng của bộ điều khiển PID trong điều khiển thích

hiệu tương tự.
 Module mềm PID bao gồm tín hiệu chủ đạo SP_INT, tín hiệu ra
của đối tượng PV_PER, tín hiệu giả để mô phỏng tín hiệu ra của đối
tượng PV_IN, các biến trung gian trong quá trình thực hiện luật và
thuật điều khiển PID như PVPER_ON,P_SEL,I_SEL , D_SEL ,
MAN_ON…
 Tín hiệu chủ đạo SP_INT được nhập dưới dạng số thực dấu phẩy động.
 Tín hiệu ra của đối tượng PV_PER:Thông qua hàm nội của FB41 có
tên CRP_IN, tín hiệu ra của đối tượng có thể đựơc nhập dưới dạng số
nguyên có dấu hoặc số thực dấu phẩy động. Chức năng của CRP_IN là
chuyển đổi kiểu biểu diễn của PV_PER từ dạng số nguyên sang số thực
dấu phẩy động có giá trị nằm trong khoảng -100 đến 100% theo công
thức:
Tín hiệu ra của CRP_IN = PV_PER*100/27648
Nguyễn Đức Tuấn
 Chuẩn hóa : chức năng của hàm chuẩn hóa PV_NORM tín hiệu ra của
đối tượng là
chuẩn hóa tín hiệu ra của hàm CRP_IN theo công thức
Tín hiệu ra của PV_NORM=(tín hiệu ra của CRP_IN) * PV_FAC_OFF
 Hai tham trị khống chế giải giá trị cho phép của PV_NORM là
PV_FAC và PV_OFF . Mặc định PV_FAC của hàm PV_NORM có giá
trị bằng 1 và PV_OFF có giá trị bằng 0.
 Lọc nhiễu tác động trong lân cận điểm làm việc. Tín hiệu sai lệch là
hiệu giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của đối tượng. Nó được tạo ra
ngay trong FB41 và là đầu vào của khối DEADBAND hoặc của đối
tượng mà có thể bỏ qua sự ảnh hưởng của nhiễu trong lân cận điểm làm
việc ta chọn DEAD_W = 0
 Chọn luật điều khiển trên module FB41 (CONT_C)
Hình vẽ dưới mô tả thuật PID được thiết kế theo kiểu song song của 3
thuật điều khiển đơn lẻ: tỉ lệ P, tích phân I và vi phân D theo sơ đồ cấu

Hình 1.8. Biến đặt PID từng bước
Hình 1.9. Biến đặt khi xảy ra đường dốc
2.5.2 Khâu tỉ lệ
 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị K
p
(K
i
và K
d
là hằng số). Đồ thị ảnh
hưởng của khâu tỉ lệ như hình 2.1
Nguyễn Đức Tuấn
 Khâu tỉ lệ (đôi khi cũng được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ
lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng
cách nhân sai số đó với một hằng số K
p
, được gọi là độ lợi tỉ lệ.
Hình 2.1: Đồ thị khâu tỉ lệ
Khâu tỉ lệ được cho bởi:
Trong đó:
P
out
: Thừa số tỉ lệ của đầu ra
K
p
: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh
e: Sai số = SP – PV
t: Thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)
Nguyễn Đức Tuấn
 Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi

quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ
thuộc vào bộ điều khiển. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của
sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua
giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch với các hướng
khác). Để tìm hiểu thêm các đặc điểm của việc điều chỉnh độ lợi tích
phân và độ ổn của bộ điều khiển.
Hình 2.2:Đồ thị ảnh hường của khâu tích phân
2.5.4 Khâu vi phân
 Đồ thị PV theo thời gian, như hình 2.3. Với 3 giá trị K
d
(K
p
và K
i
không
đổi). Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng cách xác
Nguyễn Đức Tuấn
định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời
gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ K
d
.
 Tác dụng của khâu vi phân là khi đưa vào hệ thống, nó sẽ làm giảm độ
vọt lố nhưng đồng thời kéo dài thời gian. Khâu này được đòi hỏi phải
bù với biến đặt tỉ lệ.
Thừa số vi phân được cho bởi:
( )
te
dt
d
KD