MỤC LỤC

1


Lời nói đầu
Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng
cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được
người dân ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt.
Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng được nhiều
công ty, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế việc giám
sát và điều khiển mức chất lỏng bằng phương pháp thủ công, công nghệ tự động
giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu lượng chất lỏng sử
dụng, bơm, xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần sự kiểm tra trực tiếp của
con người. Công nghệ này được ứng dụng nhiều trong việc xứ lý nước thải, lọc hoá
dầu, nhà máy nước, nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện, điện hạt nhân, các bể nước, tháp
nước tự động…
Từ những vấn đề trên đặt ra yêu cầu là dùng phương pháp nào để giám sát và
điều khiển mức chất lỏng một cách hợp lý nhất về chi phí, độ tin cậy, khả năng linh
hoạt, dễ vận hành và sử dụng nhất. Trong thực tế có nhiều phương pháp tự động
điều khiển mức chất lỏng, ở phần này em thực hiện đề tài “Xây dựng hệ thống
giám sát và điều khiển mức ”
Ngày nay, ai cũng biết rõ rằng công nghệ PLC đóng vai trò quan trọng trong
năng lượng cơ và làm bộ não cho các bộ phận cần tự động hoá và cơ giới hoá. Do
đó, điều khiển lập trình PLC rất cần thiết đối với các kỹ sư cơ khí cũng như các kỹ
sư điện, điện tử, từ đó giúp họ nắm được phạm vi ứng dụng rộng rãi và kiến thức về
PLC cũng như cách sử dụng thông thường.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo Đỗ Duy Phú để
chúng em thực hiện tốt đồ án này. Tuy nhiên do kiến thức, kinh nghiệm chưa được
hoàn chỉnh nên còn có một số thiếu sót trong quá trình thực hiện đồ án, mong được
sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn đọc quan tâm đề tài này.


Phương pháp đo mức
Có nhiều phương pháp để đo mức chất lỏng trong thực tế, một số phương pháp

như: Phương pháp thuỷ tĩnh, phương pháp điện, phương pháp bức xạ… Trong từng
phương pháp cũng có nhiều nguyên lý đo khác nhau.
1.2.1 Cảm biến mức dùng phương pháp thuỷ tĩnh
• Cảm biến dùng phao nổi (Float Lever Meter)
Chỉ số cảm biến là hàm liên tục tỉ lệ với chiều cao của chất lưu trong bình
chứa, không phụ thuộc vào tỷ trọng và tính chất điện của chất lưu.
Phao nổi chuyển động lên xuống phụ thuộc vào mức chất lỏng trong bể chứa,
khi mức chất lỏng tăng thì phao nổi chuyển động lên, ngược lại khi mức chất lỏng
giảm thì phao nổi chuyển động xuống dưới.
Tuỳ vào các trường hợp sử dụng cụ thể mà sử dụng các loại phao nổi khác
nhau, cho các mục đích khác nhau.

3


a) Nguyên lý phao hình cầu

c) Nguyên lý phao dây

b) Nguyên lý dò

d) Hình ảnh cảm biến phao

nổi
Hình 1.1: Cảm biến sử dụng phao nổi
• Cảm biến dùng phao vị trí (Displacer Lever metter)

• Cảm biến mức điện dung(Capacitance probes)
Ở phương pháp này có thể sử dụng 2 tấm điện cực(đối với chất lỏng không
dẫn điện-chất lỏng đóng vai trò là chất điện môi), hoặc một điện cực có phủ lớp
cách điện bên ngoài đóng vai trò là chất điện môi và điện cực còn lại là chất lỏng.
Sự thay dòng điện qua tụ tỉ lệ với sự thay đổi mức chất lỏng trong bình.

5


a)

b)

c)
Hình 1.5: Nguyên lý(a,b) và cảm biến mức(c) điện dung
1.2.3 Cảm biến mức dùng phương pháp bức xạ: Sóng siêu âm, sóng viba,lazer
(ultrasonic, microwaves, laser)
Các loại cảm biến này sử dùng đo khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt chất
lỏng, bộ phát và thu cùng nằm trên cảm biến, cảm biến đo khoảng cách (d) dựa trên
thời gian (t) từ khi cảm biến phát chùm tia đến khi đầu thu của cảm biến nhận được
chùm sóng phản xạ có vận tốc (v)

6


a)

b)

Hình 1.6: Nguyên lý (a) các cảm biến (b) dùng phương pháp bức xạ

trình (PLC)
Để có thể thực hiện được một chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có
tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành,
bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển và tất nhiên phải có cổng vào/ ra để giao tiếp
8


được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh.
Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm các khối
chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer) và những khối
hàm chuyên dụng (hình 1.8).
1.3.2 Các module của PLC S7-300
Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn
các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển
PLC được thiết kế không được cứng hoá về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành
các module. Số các module được chia nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, song tối
thiểu phải có một module chính là module CPU. Các module còn lại là các module
nhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển, các module chức năng chuyên dụng
như các module PID, điều khiển động cơ....Chúng được gọi chung là modul mở
rộng. Tất cả các module được gá trên những thanh ray (Rack).

Hình 1.9: Cấu trúc một thanh Rack của PLC S7-300
•

Module CPU
Modul CPU là modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời

gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS 485)... và có thể còn có một vài cổng vào/ra
số. Các cổng vào/ra số có trên modul CPU được gọi là cổng vào/ra onboard.
Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau. Nói chung chúng được

Hz).

•

Module tín hiệu SM (Signal module)
SM (Signal modul): modul mở rộng cổng tín hiện vào/ra bao gồm:
DI (digital input): modul mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào số mở

rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại module.
DO (digital output): modul mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số mở rộng
có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại modul

10


DI/DO (digital input/digital output): modul mở rộng các cổng vào/ra số. Số
các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8vào/8ra, 16vào/16 ra theo từng loại modul.
AI (analog input): Modul mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản chất chúng
chính là các bộ chuyển đổi tương tự số12 bit (AD), tức là mỗi tín hiệu tương tự
được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bit. Số các cổng vào tương
tự có thể là 2,4 hoặc 8 tuỳ từng loại modul.
AO (analog output): Modul mở rộng các cổng ra tương tự. Về bản chất chúng
chính là các bộ chuyển đổi số tương tự (DA). Số các cổng ra tương tự có thể là 2
hoặc 4 tuỳ từng loại modul.
AI/AO (analog input/analog output): Modul mở rộng các cổng vào/ra tương
tự. Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4vào/4 ra tuỳ từng loại
modul.
•

Module ghép nối IM (Interface module)

loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện.
+ Điện áp : 0 – 10V, 0-5V,

±

5V…

+ Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA,

±

10mA.

Hình 1.11. Quá trình chuyển đổi ADC (analog to digital conveter)
1.3.3 Kiểu dữ liệu và phân chia bộ nhớ
• Kiểu dữ liệu
Một chương trình ứng dụng S7 – 300 có thể sử dụng các kiểu dữ liệu sau:
- BOOL: Với dung lượng 1 bit và có giá trị là 0 hoặc 1 ( đúng hoặc sai ). Đây

-

là kiểu dữ liệu cho biến hai trị.
BYTE: Gồm 8 bits, thường được dùng để biểu diễn một số nguyên dương
trong khoảng từ 0 đến 255 hoặc mã ASCII của một ký tự.
12


- WORD: Gồm 2 bytes để biểu diễn 1 số nguyên dương từ 0 đến 65535.
- INT: Cũng có dung lượng là 2 bytes, dùng để biểu diễn số nguyên trong
-

cất giữ chúng tại vùng nhớ I, thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực
tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I.
Q ( Process image output): Miền bộ nhớ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc
giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các
cổng ra số. Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới cổng ra mà
chỉ chuyển chúng vào bộ nhớ đệm Q.

13


M ( Miền các biến cờ ): Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu
giữ các tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit(M) byte(MB), từ (MW) hay
từ kép (MD).
T : Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer ) bao gồm việc lưu trữ giá trị thời
gian đặt trước ( PV - Preset value ) ,giá trị đếm thời gian tức thời ( CV - Current
value ) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ thời gian.
C : Miền nhớ phục vụ bộ đếm ( Counter ) bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt
trước ( PV - Preset value ),giá trị đếm tức thời (CV - current value ) và giá trị logic
đầu ra của bộ đếm.
PI: Miền địa chỉ cổng vào các module tương tự (I/O: external input ).Các giá
trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự
động theo những địa chỉ. Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PI theo
từng byte (PIB), từng từ (PIW) hoặc từng kép (PID).
PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự (I/O - external output). Các
giá trị theo những địa chỉ này sẽ được module tương tự chuyển tới các cổng ra
tương tự. Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PQ theo từng byte
(PQB), từng từ kép (PQD).

- Vùng chứa các khối dữ liệu, được chia thành 2 loại:
DB (Data block). Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối, kích thước

Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp.
Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống trở nên dế dàng hơn.
Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin.
Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống.
Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc tham số hóa chuẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của

các thiết bị.
• Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Điều khiển
phân tán, điều khiển phân tán với các thiết bị trường, điều khiển giám sát hoặc
chuẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển
giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty.
1.4.3 Phân loại và đặc trưng các hệ thống Mạng Công Nghiệp
Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông
công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho các công ty, xí nghiệp
như được minh họa trên hình :

Hình 1.12: Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp
• Bus trường, bus thiết bị
Bus trường (fieldbus) thực ra là một khái niệm chung được dùng trong các
ngành công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật
15


truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với
các thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường. Các chức năng chính của cấp
chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần
thiết. Các thiết bị có khả năng nối mạng là các vào/ra phân tán (distributed I/O), các
thiết bị đo lường (sensor, transducer, transmitter) hoặc cơ cấu chấp hành (actuator,
valve) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông. Một số kiểu bus trường chỉ thích
hợp nối mạng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển, cũng

kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thông tin theo chiều
ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành.
Ngoài ra, thông tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính
thuộc cấp điều hành sản xuất, ví dụ hỗ trợ kiểu làm việc theo nhóm, cộng tác trong
dự án, sử dụng chung các tài nguyên nối mạng (máy in, máy chủ,...).
• Mạng công ty
Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông
của một công ty sản xuất công nghiệp. Đặc trưng của mạng công ty gần với một
mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương
diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ
thuật. Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xí
nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với các khách hàng như
thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp dịch
vụ truy cập Internet và thương mại điện tử, v.v...
1.4.3 Cấu trúc mạng
• Cấu trúc bus
Trong cấu trúc đơn giản này, tất cả các thành viên của mạng đều được nối trực
tiếp với một đường dẫn chung. Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng
chung một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm, vì thế tiết kiệm được cáp dẫn và
công lắp đặt.
Có thể phân biệt ba kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: daisy-chain và trunkline/drop-line và mạch vòng không tích cực.

17


Hình 1.13: Cấu trúc Bus
• Cấu trúc mạch vòng (tích cực)
Cấu trúc mạch vòng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối
từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín. Mỗi
thành viên đều tham gia tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu. Khác với cấu

trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Với phương pháp này, các bit
19


được truyền từ bên gửi tới bên nhận một cách tuần tự trên cùng một đường truyền.
Cũng chính vì không có một đường dây riêng biệt mang tín hiệu nhịp, nên việc
đồng bộ hóa thuộc trách nhiệm do bên gửi và bên nhận thỏa thuận trên cơ sở một
giao thức truyền thông.
• Phương thức truyền dẫn tín hiệu
Tín hiệu được dùng để truyền tải thông tin. Không kể tới môi trường truyền
dẫn thì các thành phần cơ bản trong một hệ thống truyền tín hiệu gồm có bộ phát
(transmitter, generator), hay còn gọi là bộ kích thích (driver, ký hiệu là D), và bộ
thu (receiver, ký hiệu là R). Một thiết bị vừa thu và phát, hay bộ thu phát được gọi
với cái tên ghép là transceiver.
Hai phương thức truyền dẫn tín hiệu cơ bản được dùng trong các hệ thống
truyền thông công nghiệp, đó là phương thức chênh lệch đối xứng (balanced
differential mode) và phương thức không đối xứng hay phương thức đơn cực
(unbalanced mode, single-ended mode)

- RS-232
RS-232 (tương ứng với chuẩn châu Âu là CCITT V.24) lúc đầu được xây
dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểm-điểm giữa hai thiết bị đầu cuối
(DTE, Data Terminal Equipment), ví dụ giữa hai máy tính (PC, PLC, v.v...), giữa
máy tính và máy in, hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và và một thiết bị truyền dữ
liệu (DCE, Data Communication Equipment) , ví dụ giữa máy tính và Modem:

Hình 1.17: Giao tiếp giữa hai máy tính thông qua Modem và RS-232
20




- RS-422
Khác với RS-232, RS-422 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa
hai dây dẫn A và B, nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn
một cách đáng kể. RS-422 thích hợp cho phạm vi truyền dẫn tới 1200 mét mà
không cần bộ lặp. Điện áp chênh lệch dương ứng với trạng thái logic 0 và âm ứng
với trạng thái logic 1. Điện áp chênh lệch ở đầu vào bên nhận có thể xuống tới
200mV.

- RS-485
Về các đặc tính điện học, RS-485 và RS-422 giống nhau về cơ bản. RS-485
cũng sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn A và B.
Ngưỡng giới hạn qui định cho VCM đối với RS-485 được nới rộng ra khoảng -7V
đến 12V, cũng như trở kháng đầu vào cho phép lớn gấp ba lần so với RS-422.
Đặc tính khác nhau cơ bản của RS-485 so với RS-422 là khả năng ghép nối
nhiều điểm, vì thế được dùng phổ biến trong các hệ thống bus trường. Cụ thể, 32
trạm có thể tham gia ghép nối, được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong một
đoạn RS-485 mà không cần bộ lặp.
Để đạt được điều này, trong một thời điểm chỉ một trạm được phép kiểm soát
đường dẫn và phát tín hiệu, vì thế một bộ kích thích đều phải đưa về chế độ trở
kháng cao mỗi khi rỗi, tạo điều kiện cho các bộ kích thích ở các trạm khác tham gia.
Chế độ này được gọi là tri-state. Một số vi mạch RS-485 tự động xử lý tình huống
này, trong nhiều trường hợp khác việc đó thuộc về trách nhiệm của phần mềm điều
khiển truyền thông. Trong mạch của bộ kích thích RS-485 có một tín hiệu vào
“Enable” được dùng cho mục đích chuyển bộ kích thích về trạng thái phát tín hiệu
hoặc tri-state. Sơ đồ mạch cho bộ kích thích và bộ thu RS-485 được biểu diễn trên
Hình 1.20.

22


• Kiểu phân tán
Trong đa số các ứng dụng có quy mô vừa và lớn phân tán là tính chất cố hữu
của hệ thống. Một dây chuyền sản xuất thường được phân chia thành nhiều đoạn, có
thể được phân bố tại nhiều vị trí cách xa nhau. Để khắc phục sự phụ thuộc vào một
máy tính trung tâm trong cấu trúc tập trung và tăng tính linh hoạt của hệ thống ta có
thể điều khiển mỗi phân đoạn bằng một hoặc một số máy tính cục bộ, như hình
minh họa.

Hình 1.21: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào ra tập trung
Hình chỉ minh họa cách ghép nối điểm-điểm giữa một máy tính điều khiển
với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, sử dụng vào/ra tập trung. Tuy nhiên, ta cũng
có thể sử dụng bus trường để thực hiện cấu trúc vào/ra phân tán như trên Hình 1.20.
Khi đó, máy tính điều khiển có thể đặt tại phòng điều khiển trung tâm hoặc tại các
phòng điều khiển cục bộ, tùy theo qui mô của hệ thống và khả năng kéo dài của bus
trường.

24


Hình 1.22: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào ra phân tán
1.4.6 Giao thức
Bất cứ sự giao tiếp nào cũng cần một ngôn ngữ chung cho các
đối tác. Trong kỹ thuật truyền thông, bên cung cấp dịch vụ cũng
như bên sử dụng dịch vụ đều phải tuân thủ theo các qui tắc, thủ tục cho việc
giao tiếp, gọi là giao thức.Giao thức chính là cơ sở cho việc thực hiện và sử dụng
các dịch vụ truyền thông.
PROFINET:
Profinet là tiêu chuẩn tự động hóa của Profibus và Profinet quốc tế (PI).
Profinet tương thích hoàn toàn với chuẩn Ethernet của IEEE.