Đồ án Module Analog trong S&-200 - Bạch Thanh Thiện

này về mặt hình thức có thể chuyển đổi lẫn cho nhau. Việc lựa chọn ngôn ngữ lập trình là tùy theo thói quen, sở thích cũng như kinh nghiệm của người sử dụng.
(i) Ngôn ngữ LADDER :
Là ngôn ngữ lập trình đồ họa dựa trên cơ sở sơ đồ trang bị điện, việc kết nối lập trình đồ họa giống với việc thiết lập các sơ đồ relay- contactor. Một chương trình nguồn viết bằng LAD được tổ chức thành các network, mỗi network thực hiện một công việc nhỏ.
S7-200 đọc chương trình từ trên xuống dưới, từ trái qua phải, sau đó lập lại ở vòng quét tiếp theo.
Ví dụ ngôn ngữ LADDER:
(ii) Ngôn ngữ STL :
Là ngôn ngữ lập trình dưới dạng Text gần giống với lập trình hợp ngữ trong vi điều khiển và vi xử lý, là một ngôn ngữ mạnh cho phép tạo ra một chương trình mà LAD và FBD rất khó tạo ra. Một chương trình viết dưới dạng STL được tổ chức thành các network, mỗi network thực hiện một công việc nhỏ.
S7-200 đọc chương trình từ trên xuống dưới, sau đó lập lại ở vòng quét tiếp theo.
Ví dụ ngôn ngữ STL: 
(iii) Ngôn ngữ FBD :
Là ngôn ngữ lập trình đồ họa dựa trên cơ sở kết nối các khối hàm, sử dụng các ký hiệu logic giống với đại số boolean. Các hàm toán học phức tạp cũng được thể hiện dưới dạng khối với các đầu vào đầu ra thích hợp.
S7-200 đọc chương trình từ trên xuống dưới, từ trái qua phải, sau đó lập lại ở vòng quét tiếp theo.
Ví dụ ngôn ngữ FBD :
Chương 3: Cơ sở lý luận về module Analog của S7-200.
1. Tổng quan về Module Analog
Đặc tính kỹ thuật:
Thời gian chuyển đổi ngắn.
Không cần bộ khuếch đại khi kết nối với cảm biến.
Thực hiện được các công việc phức tạp.
Các thông số:
Số lượng ngõ vào : 3
Số lượng ngõ ra : 1
Tầm điện áp : 0 -10V, 0-5V, +/-5V, +/-2,5V, 
Thông số ngõ vào : 0-10V, 0-20 mA
Thông số ngõ ra : +/-10V, 0-20 mA
Độ phân giải 	 : 12 bit/V
Kích thước : 71.2 x 80 x 62mm
Trọng lượng : 186 g
Công suất tiêu thụ : 2 W
Định dạng ngõ ra: có dấu : -32000 đến 32000, không dấu : 0 đến 32000
Kết nối:
Modul mở rộng có các đặc tính thiết kế giống như CPU.
Lắp trên đường ray của thanh DIN: modul được lắp vào bên phải CPU thông qua bus (S7- 21x) hoặc cáp S7- 22x.
Lắp trực tiếp: thông qua cổng kết nối trên Modul. 
2. Tín hiệu analog và bộ A/D 
Khác với tín hiệu số, ngõ vào và ngõ ra chỉ có hai trạng thái là ON hoặc OFF (mức 1 hoặc 0), tín hiệu analog có biên độ liên tục theo thời gian. 
Hình 3.1: Sự khác biệt giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự
Phần lớn những hiện tượng xảy ra trong thực tế đều ở dạng analog. Các cảm biến ngõ có tín hiệu ra dạng analog như: Cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến dòng chảy, cảm biến mức.. Những cơ cấu chấp hành có tín hiệu điều khiển dạng analog: Vale tuyến tính, biến tần..... 
3. Thời gian lấy mẫu, tần số lấy mẫu. 
Đối với ngõ vào của PLC hay máy tính, tín hiệu analog không được đọc liên tục mà sẽ được lấy mẫu vào những khoảng thời gian nhất định. Sau đó tín hiệu analog được chuyển đổi sang tín hiệu số nhờ bộ A/D. Trong một khoảng thời gian nhất định, nếu số mẫu lấy càng nhiều thì độ chính xác càng tăng. Tuy nhiên mỗi bộ A/D chỉ có thể thu thập được một số mẫu nhất định trong một giây. Đối với PLC thì tần số lấy mẫu có thể đạt 20hZ.
Hình 3.2: Cách lấy mẫu tín hiệu tương tự
4. Các thông số của bộ A/D. 
Một bộ A/D được đánh giá dựa vào các thông số như: Số bit chuyển đổi, thời gian lấy mẫu, tốc độ chuyển đổi, sai số chuyển đổi, tầm điện áp hoặc dòng điện mà bộ A/D có thể chuyển đổi. Các thông số này thường được cho bởi nhà sản xuất. Hình 8.3thể hiện các thông số của bộ A/D.
Hình 3.3: Các thông số cần quan tâm của bộ A/D
Hình 3.4: Quan hệ giữa các thông số trong bộ A/D
Ghi chú: 
Công thức 1: Quan hệ giữa số lượng bit và độ phân giải của timer Công thức 2: Sai số lượng tử. Công thức 3: Quan hệ giữa giá trị số nguyên của bộ A/D với Vin, Vmin, Vmax, Vmin, R. Công thức 4: Quan hệ giữa điện áp đưa vào với N , Vmax, Vmin, R. 
Hình 8.4: Quan hệ giữa các thông số trong bộ A/D 
5. A/D trong PLC S7 200. 
Đối với PLC thì bộ chuyển đổi A/D thường sử dụng 8 bit, 12 bit, 16 bit. Tùy theo yêu cầu kỹ thuật, độ chính xác, tính kinh tế mà người lập trình chọn bộ A/D nào cho phù hợp. 
5.1. Cấu trúc dữ liệu của bộ A/D trong PLC S7 200. 
Module analog trong S7 200 thường sử dụng loại 12 bit. Tín hiệu vào của module analog ở dạng điện áp hoặc dòng điện, điện áp có thể dương hoặc âm, dữ liệu chuyển đổi có thể ở dạng đơn cực hoặc lưỡng cực. Tùy thuộc vào dạng chuyển đổi mà cách sắp xếp các bit dữ liệu cũng có sự khác nhau. 
Hình 3.5 Trình bày cách sắp xếp các bit dữ liệu dạng đơn cực và lưỡng cực.
Hình 3.5: Cách định dạng các bit dữ liệu trong module analog của S7 200
5.2 Một số module analog của S7 200 thường được sử dụng. 
5.2.1 Module analog EM231 
Các thông số kỹ thuật
Cách kết nối ngõ vào
Switch chọn giá trị ngõ vào và độ phân giải.
Lưu ý: Dòng điện ngõ vào: 0 đến 20mA. Độ phân giải: 5uA hay từ 1,25mV đến 2,5mV. Giá trị số ngõ vào: -32000 đến 32000(lưỡng cực) hay từ 0 đến 32000(đơn cực). 
Mạch ngõ vào của Module EM231.
5.2.2. Module analog EM235 
Các thông số kỹ thuật.
Cách kết nối ngõ vào, ngõ ra.
Switch chọn giá trị ngõ vào và độ phân giải.
Lưu ý: Độ phân giải: 5uA hay từ 12,5uV đến 5mV. Giá trị số ngõ vào:
-32000 đến 32000 hay từ 0 đến 32000. Mạch ngõ vào của Module EM235.
5.2.3 Module analog EM232 
Các thông số kỹ thuật.
Một vài thông số chi tiết.
Cách kết nối ngõ ra.
5.3. Hiệu chỉnh giá trị analog. 
Module analog thường có nhiều tầm đo khác nhau, tín hiệu ngõ vào có thể là dòng điện hoặc điện áp. Việc chuyển đổi từ tầm đo này sang tầm đo khác thì kết quả chuyển đổi thường có những sai số nhất định do cấu trúc của mạch chuyển đổi. Do vậy thông thường khi sử dụng module analog, người lập trình cần phải hiệu chỉnh trước khi sử dụng để kết quả chuyển đổi được chính xác hơn. Dưới đây trình bày việc hiệu chỉnh cho ngõ vào là điện áp, tầm đo 10V, ngõ vào chuyển đổi là AIW0. 
- Cấp điện cho module analog hoạt động khoảng 10 phút. 
- Chọn điện áp vào là 10V ( độ phân giải 2,5Mv) 
- Chỉnh biến trở tại ngõ vào AIW0 để ngõ vào đạt giá trị 0V. 
- Dùng chương trình đọc giá trị analog vào và quan sát giá trị. Nếu chưa bằng không thì hiệu chỉnh độ lợi (Gain) để đạt giá trị = 0. 
- Chỉnh biến trở tại ngõ vào AIW0 để ngõ vào đạt giá trị 10V. 
Dùng chương trình đọc giá trị analog vào và quan sát giá trị. Nếu chưa bằng 32000 thì hiệu chỉnh độ lợi (Gain) để đạt giá trị = 32000. 
Chương 4: 	Bài tập ứng dụng
Bài tập ứng dụng:
Một bể nước bơm bởi 2 động cơ AC ba pha, trọng lượng của bể nước được đo bởi loadcell. Điện áp ngõ ra của load cell từ 4 đến 20mV, tương ứng với lượng nước trong bể từ 0% đến 100%. Hai bơm hoạt động như sau:
Mode1:Khi mực nước nhỏ hơn 40% thì 2 bơm hoạt động.
Mode 2:Khi mực nước lớn hơn 80% thì 2 bơm ngưng.
Mode 3:Khi mực nước lớn hơn 40% và nhỏ hơn 80% thì động cơ 1 hoạt 30 phút sau đó dừng, động cơ 2 hoạt động 30 phút sau đó dừng.
 Quá trình lặp lại cho đến khi nào đầy bể
Yêu cầu:
Vẽ sơ đồ kết nối phần cứng
Viết chương trình điều khiển
Bài làm:
Theo đề bài ta có, mực nước từ 0% đến 100% thì tương ứng với điện áp ngỏ ra từ 4mV đến 20mV
Mặt khác, phương trình ngõ ra của Loadcell có dạng:
	(1)
Chọn s =1,96 mV/V
Với m = 100%MMax thì V
Khuếch đại Vo lên 500 lần để è Ta chọn modules Analog EM231 và giá trị điện áp ngỏ vào Analog Input là 0V đến 10V.
Với m = 100%MMax ↔ Vo = 20 mV. 
Theo quy tắc tam xuất, ta suy ra được các giá trị điện áp ngỏ ra tương ứng của Module Analog:
Với m = 40%MMax thì mV
Với m = 80%MMax thì mV
Và với Vo = 20 mV 	↔	32000 ( giá trị analog)
Tiếp tục theo quy tắc tam xuất, ta có các giá trị analog tương ứng
Với Vo = 8 mV 	↔	18000	( giá trị analog)
Với Vo = 16 mV 	↔	25600	( giá trị analog)
Tóm lại, ta có bảng sau:
M (kg)
Vo (mV)
Giá trị Analog Input (AIW0)
40%MMax
8
18000
80%MMax
16
25600
100%MMax
20
32000
Sơ đồ kết nối phần cứng:
Chương trình điều khiển:
Khai báo các giá trị ngỏ vào – ra.
Ngỏ vào ( Inputs )
Ngỏ ra ( Outputs )
I0.0 : nút nhấn start
Q0.0 : ngỏ ra điều khiển côngtắctơ K1 của động cơ 1
I0.1 : nút nhấn stop
Q0.1 : ngỏ ra điều khiển côngtắctơ K1 của động cơ 2
Chương trình điều khiển
Mô phỏng chương trình bằng V4.0 STEP 7 MicroWIN:
Click vào biểu tượng
Chọn File à Open à chọn file cần mô phỏng:
Sau đó,ta vào File à chọn Exportđể xuất chương trình vừa viết ra để mô phỏng
Ta chọn địa chỉ lưu chương trình vừa xuất ra trên à click Save
Ra ngoài màn hình Desktop, double click vào biểu tượng àvào Configuration àclick vào CPU type để chọn module CPU của PLC mà ta cần sử dụng.
Vì ta đang làm mô phỏng bài tập về module analog nên ta chọn CPU 224àclick Accept 
Tiếp theo ta double click vào Slot 0 và chọn Modules Analog EM231 à click Accept
Click vào chọn Analog Input à click Accept
Click vào biểu tượng àClick Accept
Chọn file mà ta vừa Export.. ở trên à Open
Ta sẽ thấy màn hình hiện ra thêm 2 cửa sổ ( KOP : ngôn ngữ dạng LADDERvà Program(OB1): ngôn ngữ dạng STL )
Kế đó ta click vào biểu tượng State Program àclick vào biểu tượng Run à chon Yes
Ta bắt đầu thực hiện mô phỏng từng Mode tương ứng với sự thay đổi điện áp ngỏ vào AI0
Muốn cho mạch mô phỏng hoạt động,ta gạt công tắc I0.0 lên ON
Mode1
Mode 2 (30 phút đầu)
Mode 2 (30 phút sau)
Mode 3
Muốn cho mạch dừng theo yêu cầu hoặc lúc gặp sự cố, ta gạt công tắc I0.1 lên ON
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1.Tài liệu tham khảo Điều khiển lập trình, Th.s Tạ Văn Phương, trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
2. Tài liệu tham khảo Điều khiển lập trình nâng cao, trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
3. Sổ tay hướng dẫn lập trình PLC, Mai Xuân Vủ - Nguyễn Thu Thiên, NXB Trẻ.
4.Website 
5. Website 
KẾ HOẠCH THỰC HIỆN:
Tuần 5: nhận đề tài nghiên cứu và lập đề cương.
Tuần 7: tìm hiểu về S7-200.
Tuần 8: tìm hiểu về lý thuyết ANALOG của S7-200.
Tuần 9: tìm hiểu về quy trình công nghệ của đề tài.
Tuần 11: tiến hành thực hiện đề tài và sữa chữa.
Tuần 12: tiến hành thực hiện đề tài và sữa chữa.
Tuần 14: tiến hành thực hiện đề tài và sữa chữa.
Tuần 15: tiến hành thực hiện đề tài và sữa chữa.
Tuần 16: in, nộp và bảo vệ đề tài.