BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ

VÕ SỸ PHƯƠNG NAM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC S7-1200 ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
(Ngành: Công nghệ kỹ thuật Nhiệt)

Nha Trang, 6– 2017


1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ

VÕ SỸ PHƯƠNG NAM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC S7-1200 ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
LÒ HƠI CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
(Ngành: Công nghệ kỹ thuật Nhiệt)
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
1. TS. Nguyễn Hữu Nghĩa
2. Ths. Nguyễn Văn Định


2.1.3.4. Theo áp suất hơi (P) .................................................................................. 18
2.1.3.5. Theo chế độ chuyển động của nước trong lò hơi .................................. 18
2.1.3.6. Dựa theo cách đốt nhiên liệu ................................................................... 19
2.1.4. Một số ứng dụng của lò hơi ............................................................................ 19
2.2. TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200 ........................................................................... 20
2.2.1. Sơ lược về PLC S7-1200.................................................................................. 20
2.2.1.1. PLC là gì ..................................................................................................... 20
2.2.1.2. Giới thiệu về họ PLC S7-1200 của hãng SIEMENS ............................ 20
2.2.2. So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác .......................................... 21
2.2.2.1. PLC với hệ thống điều khiển bằng Relay .............................................. 21
2.2.2.2. PLC với máy tính ...................................................................................... 22
2.2.2.3. PLC với máy tính cá nhân PC (Personal Computer) .......................... 22
2.2.2.4. Lợi ích của việc sử dụng PLC ................................................................. 23
2.2.3. Cấu trúc phần cứng của PLC S7-1200 ......................................................... 23
2.2.3.1. Module CPU ............................................................................................... 25
2.2.3.2. Các module mở rộng ................................................................................. 26
2.2.4. Phần mềm STEP 7 Professional .................................................................... 26
2.2.4.1. Chức năng của phần mềm STEP 7 ......................................................... 26
2.2.4.2. Ngôn ngữ lập trình .................................................................................... 27
2.2.5. Một số lệnh cơ bản trong PLC ....................................................................... 27
2.2.5.1. Lệnh về bit logic ........................................................................................ 27
2.2.5.2. Lệnh Timer ................................................................................................. 29


4

2.2.5.3. Lệnh Counter ............................................................................................. 32
2.3. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI ....................... 34
2.3.1. Điều khiển mức nước ....................................................................................... 34

4.4.1. Chạy thử mô hình ............................................................................................ 75
4.4.2. Kiểm tra và sửa lỗi ........................................................................................... 81
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 83
5.1. Kết luận .................................................................................................................... 83
5.2. Kiến nghị .................................................................................................................. 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 85


6

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1. Khái niệm lò hơi..............................................................................................13
Hình 2.2. Lò hơi ống lò ...................................................................................................14
Hình 2.3. Lò hơi ống lò ống lửa......................................................................................14
Hình 2.4. Lò hơi ống nước chữ D...................................................................................15
Hình 2.5. Lò hơi nhà máy nhiệt điện ..............................................................................16
Hình 2.6. Lò hơi dùng trong công nghiệp ......................................................................17
Hình 2.7. Lò hơi tàu thủy ................................................................................................17
Hình 2.8. Phần cứng CPU S7-1200 ................................................................................24
Hình 2.9. Các cảm biến mức nước dạng đầu dò ............................................................35
Hình 2.10. Các cảm biến mức nước dạng phao ............................................................36
Hình 2.11. Sơ đồ điều khiển mức nước lò hơi dạng điều chỉnh ...................................37
Hình 2.12. Lắp đặt công tắc áp suất trên bao hơi của lò hơi.........................................38
Hình 2.13. Hệ thống điều khiển lò hơi ...........................................................................40
Hình 2.14. Bộ lập trình ngọn lửa đảm bảo an toàn ........................................................42
Hình 2.15. Trình tự điều khiển quá trình cháy của lò hơi đốt khí ................................44
Hình 3.1. Cấu tạo của lò hơi ống lò ống lửa ..................................................................45
Hình 3.2. Lò hơi ống lò - ống lửa ...................................................................................46
Hình 3.3. Sơ đồ điều khiển mức nước trong lò hơi .......................................................48

8

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng thông số và kiểu dữ liệu của bộ Timer ................................................31
Bảng 2.2: Bảng giá trị TIME ..........................................................................................31
Bảng 2.3: Bảng thông số và kiểu dữ liệu của bộ Counter .............................................33
Bảng 3.1. Khai báo đầu vào/ra PLC ...............................................................................58
Bảng 4.1. Các thiết bị trong mô hình .............................................................................73
Bảng 4.2. Bảng lỗi, nguyên nhân và cách khắc phục ....................................................82


9

LỜI CẢM ƠN

Sau bốn năm học tại trường Đại học Nha Trang, đến nay tôi đang ở trong giai
đoạn cuối của chương trình đào tạo tại trường và thực hiện đồ án tốt nghiệp đại học.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban chủ
nhiệm Khoa Cơ Khí cùng toàn thể các Thầy, Cô giáo đã tham gia giảng dạy tôi trong
suốt bốn năm qua.
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ vô cùng quý giá từ
Ban chủ nhiệm Khoa Cơ Khí, cùng sự chỉ bảo, sẵn sàng giúp đỡ của các Thầy Cô trong
bộ môn Kỹ thuật Nhiệt – Lạnh.
Cảm ơn các Thầy Cô trong bộ môn Kỹ thuật Nhiệt – Lạnh đã hỗ trợ kinh phí để
giúp đỡ tôi thực hiện đồ án tốt nghiệp và hoàn thiện mô hình.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, lời biết ơn sâu sắc tới Thầy Nguyễn Hữu Nghĩa
và thầy Nguyễn Văn Định đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, đã tạo mọi điều kiện
tốt nhất cho tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Cha, Mẹ, các Anh Chị, và tất cả những người bạn đã

Qua đó, sau thời gian học tập tại trường, được sự chỉ bảo hướng dẫn nhiệt tình
của thầy cô trong bộ môn Công nghệ kỹ thuật Nhiệt – Lạnh trường ĐH Nha Trang, nên
tôi được giao thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng PLC S7-1200 để điều khiển lò
hơi công nghiệp” với sự trợ giúp của GVHD TS. Nguyễn Hữu Nghĩa và Th.s Nguyễn
Văn Định.


11

1.2. Nhiệm vụ của đề tài
- Nghiên cứu ứng dụng PLC S7-1200 để điều khiển lò hơi công nghiệp.
- Thiết kế mô hình thiết bị điều khiển thực tế.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
- Lập trình điều khiển tự động cấp nước cho lò hơi.
- Lập trình điều khiển tự động quá trình đốt của lò hơi.
- Thử nghiệm điều khiển trên mô hình thực tế.
1.4. Đối tượng nghiên cứu
- Lò hơi ống lò ống lửa nằm ngang, đốt dầu DO, có trang bị chỗ gắn các cảm biến
mức nước, cảm biến áp suất.
- Bộ lập trình PLC S7-1200, phần mềm STEP 7.
1.5. Nội dung nghiên cứu
1. Mở đầu.
2. Tổng quan về lò hơi công nghiệp, PLC S7-1200 và hệ thống điều khiển lò hơi.
3. Ứng dụng PLC điều khiển cho lò hơi công nghiệp.
4. Thiết kế, lắp đặt mô hình thiết bị điều khiển.
5. Kết luận và kiến nghị.


12




14

+ Tuần hoàn nước trong lò hơi phải tốt.
+ Dễ lắp ráp và sửa chữa.
+ Nâng cao tính an toàn trong vận hành.
+ Giảm vốn đầu tư.
+ Tăng cường cơ giới hóa, tự động hóa.
- Lò hơi được cải tiến theo hai hướng chính:
+

Hướng I: tăng bề mặt trao đổi nhiệt vào bên trong lò.

Theo hướng này người ta chế tạo ra: lò hơi ống lò, lò hơi ống lửa, lò hơi ống lò
ống lửa.

Hình 2.2. Lò hơi ống lò

Hình 2.3. Lò hơi ống lò ống lửa

 Ưu điểm
- Là sự kết hợp của lò hơi ống lò và lò hơi ống lửa nên có ưu điểm nổi trội hơn.
- Tốc độ sinh hơi nhanh và hiệu quả hơn.
- Hiệu suất cháy cao do có hệ thống gió cưỡng bức.
- Hiệu suất nhiệt cao hơn so với loại lò hơi khác.
- Có kết cấu gọn nhẹ, dễ vận chuyển.


15


Hình 2.6. Lò hơi dùng trong công nghiệp
- Lò hơi tàu thủy: dùng trên các tàu thủy vừa và lớn để sinh hơi nhằm phục vụ sinh
hoạt trên tàu với sản lượng hơi nhỏ.

Hình 2.7. Lò hơi tàu thủy


18

2.1.3.2. Theo chiều chuyển động tương đối giữa sản phẩm cháy và nước trong lò
- Dạng lò hơi ống lửa: khói chuyển động trong các ống được bao phủ bởi nước bên
ngoài ống.
- Dạng lò hơi ống nước: nước chuyển động trong ống, khói chuyển động bên ngoài
ống.
2.1.3.3. Theo sản lượng hơi (D)
- Lò hơi nhỏ: D < 12 tấn/h.
- Lò hơi trung bình: 12 tấn/h < D < 110 tấn/h.
- Lò hơi lớn: D > 110 tấn/h.
- Lò hơi cực lớn: D > 600 tấn/h.
2.1.3.4. Theo áp suất hơi (P)
- Lò hơi hạ áp: P < 10 at.
- Lò hơi trung áp: 10 < P < 40 at.
- Lò hơi cao áp: 40 < P < 100 at.
- Lò hơi siêu cao áp: P > 100 at.
2.1.3.5. Theo chế độ chuyển động của nước trong lò hơi
- Lò hơi đối lưu tự nhiên: môi chất chuyển động đối lưu tự nhiên do sự chênh lệch
mật độ trong nội bộ môi chất mà không tạo thành vòng tuần hoàn tự nhiên.
- Lò hơi tuần hoàn tự nhiên: môi chất chuyển động theo vòng tuần hoàn khép kín
nhờ sự chênh lệch khối lượng riêng theo nhiệt độ của môi chất.

nhuộm, sấy,...
- Các ngành công nghiệp sản xuất: sử dụng lò hơi sản xuất hơi để phục vụ cho các
quá trình sản xuất giấy, cao su, chế biến gỗ,...
- Các ngành dịch vụ: lò hơi dùng để sản xuất hơi có áp suất và nhiệt độ thấp để sử
dụng vào sưởi ấm, tắm hơi.


20

2.2. TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200
2.2.1. Sơ lược về PLC S7-1200
2.2.1.1. PLC là gì
PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình được (khả
trình) mà tuỳ vào người sử dụng nó có thể thực hiện một loạt hay trình tự các sự kiện,
các sự kiện này được kích thích bởi các tác nhân kích thích (hay còn gọi là ngõ vào)
tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện
được đếm. Khi một sự kiện được kích hoạt, thật sự là nó bật ON hay OFF thiết bị bên
ngoài hay còn gọi là các thết bị vật lý (các thiết bị được gắn vào ngõ ra của PLC). Như
vậy, chúng ta có thể hiểu rằng, PLC là một bộ “điều khiển logic theo chương trình”, ta
chỉ cần thay đổi chương trình cài đặt trong PLC là PLC có thể thực hiện được các chức
năng khác nhau, điều khiển trong những môi trường khác nhau. Là một hệ mang tính
vượt trội so với các thiết bị hiện tại nó mang tính chính xác cao và đạt hiệu quả công
việc cao.
2.2.1.2. Giới thiệu về họ PLC S7-1200 của hãng SIEMENS
Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200.
So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:
- S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát
nhiều ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm
cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200.
- S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn,

Đặc trưng cho hệ thống điều khiển chương trình là phù hợp với những nhu cầu đã
nêu trên, đồng thời về mặt kinh tế và thời gian thì hệ thống điều khiển lập trình cũng
vượt trội hơn hệ thống điều khiển cổ điển (Relay, Contactor,…). Hệ thống điều khiển
này cũng phù hợp với sự mở rộng hệ thống trong tương lai do không phải đổi, bỏ hệ


22

thống dây nối giữa hệ thống điều khiển và các thiết bị, mà chỉ đơn giản là thay đổi
chương trình cho phù hợp với điều kiện sản xuất mới.
2.2.2.2. PLC với máy tính
Cấu trúc giữa máy tính với PLC đều dựa trên bộ vi xử lý (CPU) để xử lý dữ liệu.
Tuy nhiên có một vài cấu trúc quan trọng cần phân biệt để thấy rõ sự khác biệt giữa
một PLC và một máy tính.
Không như máy tính, PLC được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong môi trường
công nghiệp. Một PLC có thể được lắp đặt ở những nơi có độ nhiễu điện cao (Electrical
Noise), vùng có từ truờng mạnh, có các chấn động cơ khí, nhiệt độ môi trường cao …
Điều quan trọng thứ hai đó là: một PLC được thiết kế với phần cứng và phần mềm
sao cho dễ lắp đặt (đối với phần cứng) đồng thời về mặt chương trình cũng phải dễ
dàng để người sử dụng (kỹ sư, kỹ thuật viên) thao tác lập trình một cách nhanh chóng,
thuận lợi (ví dụ: lập trình bằng ngôn ngữ hình thang… ).
2.2.2.3. PLC với máy tính cá nhân PC (Personal Computer)
Đối với một PC, người lập trình dễ nhận thấy được sự khác biệt giữa PC với PLC,
sự khác biệt có thể biết được như sau:
- Máy tính không có các cổng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị điều khiển, đồng

thời máy tính cũng hoạt động không tốt trong môi trường công nghiệp.
- Ngôn ngữ lập trình trên máy tính không phải là dạng hình thang, máy tính ngoài

việc sử dụng các phần mềm chuyên biệt cho PLC, còn phải thông qua việc sử dụng các

thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mở rộng hệ thống. Số các module
được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng ứng dụng, song tối thiểu bao giờ cũng có một


24

module chính là module CPU. Các module còn lại là những module truyền và nhận tín
hiệu với đối tượng điều khiển bên ngoài, các module chức năng chuyên dụng… Chúng
được gọi chung là các module mở rộng.
Đặc điểm nổi bật là S7-1200 được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet
(Ethernet), sử dụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic cho việc lập trình PLC
và các màn hình HMI. Điều này giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi công hệ thống điều
khiển được nhanh chóng, đơn giản.
Bên cạnh CPU S7-1200 và phần mềm lập trình mới, một dải sản phẩm các màn
hình HMI mới dùng cho PLC S7-1200 cũng được giới thiệu. Tất cả cùng tạo ra một
giải pháp tích hợp, thống nhất cho thị trường tự động hóa cỡ nhỏ (Micro Automation).

 Bộ phận kết nối nguồn
 Các bộ phận kết nối nối
dây của người dùng có thể
tháo được (phía sau các nắp
che). Khe cắm thẻ nhớ nằm
dưới cửa phía trên.
 Các led trạng thái dành
cho I/O tích hợp.


Bộ

phận