Thiết kế hệ thống giám sát dây chuyền sản xuất công nghiệp thời gian thực sử dụng công nghệ PLC tích hợp trên nền giao thức IP

Bài viết đề xuất giải pháp thực thi một mô hình hệ thống giám sát dây chuyền sản xuất công nghiệp EMS (Electronic Monitoring System) theo thời gian thực sử dụng công nghệ PLC (Programable Logic Control) tích hợp trên nền giao thức IP. Các kết quả kiểm thử hệ thống lắp đặt và thực nghiệm tại nhà máy cho thấy giải pháp đề xuất là khả thi và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật khi hoạt động trong môi trường thực tế của các dây chuyền sản xuất công nghiệp. Mời các bạn cùng tham khảo!

Thảo Quốc 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông Công TinTin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc GiaGia 2015 CôngNghệ NghệThông Thông (ECIT 2015) Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Dây Chuyền Sản Xuất Công Nghiệp Thời Gian Thực Sử Dụng Công Nghệ PLC Tích Hợp Trên Nền Giao Thức IP Đỗ Trọng Tuấn1†, Phạm Gia Điềm2†, Phạm Hoàng Anh1, Đào Văn Toàn1, Nguyễn Việt Đức1, Phạm Tiến Đạt1, Lê Bảo Sơn1, Lê Anh Tuấn Dương1 Viện Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội † Emails: {tuan.dotrong, diem.phamgia}@hust.edu.vn - Hệ thống phần cứng cơng nghệ PLC tích hợp với IC số nhằm cập nhật sản phẩm, hiển thị số liệu liên quan dây truyền sản xuất lên bảng điện tử, đồng thời cung cấp toàn số liệu hệ thống quản lý sở liệu thông qua qua mạng LAN - Hệ thống quản lý sở liệu: Giám sát, quản lý toàn hệ thống sở liệu SQL, giao tiếp với hệ thống phần cứng qua mạng LAN sử dụng giao thức Modbus TCP/IP [8][9][10] - Giao diện người dùng Web: Kết nối tới sở liệu, cho phép người dùng nhập kế hoạch sản xuất, theo dõi số liệu thời gian thực xuất số liệu định dạng Excel thuận tiện cho việc theo dõi quản lý theo chu kỳ Abstract— Trong báo này, đề xuất giải pháp thực thi mơ hình hệ thống giám sát dây chuyền sản xuất công nghiệp EMS (Electronic Monitoring System) theo thời gian thực sử dụng cơng nghệ PLC (Programable Logic Control) tích hợp giao thức IP Các kết kiểm thử hệ thống lắp đặt thực nghiệm nhà máy cho thấy giải pháp đề xuất khả thi đáp ứng yêu cầu kỹ thuật hoạt động môi trường thực tế dây chuyền sản xuất công nghiệp Keywords- PLC, hệ thống thời gian thực, giao thức IP I GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, công nghệ PLC [1][2][3] áp dụng phổ biến hệ thống công nghiệp tính ổn định, đồng bộ, dễ sửa chữa, độ tin cậy cao PLC thông thường sử dụng để giải toán điều khiển tự động Trong báo này, đề xuất thực thi mơ hình hệ thống giám sát dây chuyền sản xuất công nghiệp theo thời gian thực EMS sử dụng công nghệ PLC tích hợp giao thức IP Ưu điểm giải pháp PLC tích hợp giao thức IP so với phương thức truyền thống sử dụng MCU (Micro Controller Unit) tốc độ truyền thông cao, thông số cập nhật tức thời; hoạt động tốt môi trường độ ẩm nhiệt độ cao, nhiều nhiễu điện từ trường [4][5][6][7] Hệ thống thiết kế thực chức năng: theo dõi số lượng sản phẩm sản xuất dây chuyền sản xuất nhà máy công nghiệp, hiển thị trực quan thông số lên bảng điện tử, đồng thời lưu quản lý tất thông số thu sở liệu đặt máy chủ theo thời gian thực Phần nội dung báo tổ chức sau: phần II trình bày mơ hình hệ thống EMS phân tích thành phần chức hệ thống Phần III đưa thiết kế chi tiết dựa kiến trúc mơ hình đề xuất Mơ hình thực nghiệm kết triển khai trình bày mục IV Cuối cùng, kết luận giải pháp thiết kế thể phần V II Hình Kiến trúc hệ thống EMS B Các thành phần chức Trong phần này, mô tả thành phần chức chi tiết triển khai thực tế nhà máy thể hình Hệ thống gồm có khối chức năng: khối cập nhật số liệu dây chuyền sản xuất, khối hiển thị số liệu, khối xử lý phân tán theo cụm, khối quản lý theo dõi thông tin MƠ HÌNH HỆ THỐNG EMS A Kiến trúc hệ thống EMS Mơ hình thiết kế kiến trúc hệ thống EMS bao gồm thành phần theo hình 1: Hình Các thành phần chức hệ thống 425 ISBN: 978-604-67-0635-9 425 HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 vàCông CôngNghệ Nghệ Thông (ECIT 2015) Thảo Quốc Gia 2015về vềĐiện Điện Tử, Tử,Truyền Truyền Thông Thông Thông TinTin (ECIT 2015) Tại phận nhập kho, thiết bị nhập liệu chuyên dụng cho phép nhập số lượng sản phẩm, thiết bị không trực tiếp thực xử lý liệu Bộ xử lý sử dụng PLC hãng Siemens [11], thiết bị xử lý số liệu, xử lý cho phép quản lý điều khiển nhiều dây chuyền sản xuất lúc Các xử lý nối với nối vào mạng LAN với máy chủ “Server” thông qua chia mạng hợp chuẩn công nghiệp - Khối cập nhật số liệu dây chuyền sản xuất: hoàn thành sản phẩm (đáp ứng đủ tiêu chí nhà máy đưa ra) dây chuyền sản xuất hệ thống cập nhật thông số lên bảng hiển thị - Khối hiển thị số liệu: sau thông số truyền từ dây chuyền lên hiển thị đầu dây chuyền sản xuất (Production Line) Đồng thời số liệu truyền “cụm xử lý phân tán” - Khối xử lý phân tán theo cụm: nhà máy có nhiều dây chuyền sản xuất, nên việc chia dây chuyền cụm để đảm bảo khả đáp ứng khoanh vùng xử lý lỗi có phát sinh Trong hệ thống triển khai thực tế nhà máy có 35 dây chuyền sản xuất chia thành “5 cụm xử lý phân tán” Khối quản lý theo dõi thông tin: sau luồng liệu xử lý cụm phân tán truyền Server để tiến hành quản lý theo dõi thông tin trung tâm điều hành theo dõi từ xa qua giao diện web III THIẾT KẾ CHI TIẾT A Hệ thống phần cứng Trong phần trình bày mơ hình thiết kế chi tiết phần cứng hệ thống phần cứng khối PLC Hệ thống phần cứng gồm có bảng điện tử hiển thị, phận ghép nối với dây chuyền sản xuất, xử lý thể Hình Bảng điện tử có chức nhận liệu từ xử lý để hiển thị số liệu, ghép nối với dây chuyền để đếm sản phẩm Bảng điện tử thiết kế sử dụng IC số thực giải mã liệu, không thực chức xử lý nào, giảm nguy lỗi nhiễu tác động đến linh kiện điện tử Bộ phận ghép nối ghép với dây chuyền vị trí máy kiểm tra cuối dây chuyền, cho phép đếm sản phẩm đạt chất lượng Hình 4: Các lớp chương trình lập trình cho PLC Theo Hình 4, PLC điều khiển hệ thống lập trình để thực nhiều cơng việc song song, đáp ứng việc giám sát nhiều dây chuyền lúc, đồng thời điều khiển số bảng hiển thị tương ứng giao tiếp với server qua mạng Việc điều khiển hiển thị đếm sản phẩm hay giao tiếp thực song song, có nghĩa việc cập nhật giá trị qua mạng hay điều khiển hiển thị không làm ảnh hưởng đến trình đếm sản phẩm dây chuyền B Phần mềm Phần mềm hệ thống gồm có phần chính: phần mềm điều khiển phần giao diện người dùng website, đồng với sở liệu SQL trình bày Hình Hình Sơ đồ kiến trúc phần mềm - Phần mềm điều khiển (phần mềm Server) có chức giao tiếp với PLC qua giao thức Modbus TCP/IP Cập nhật kiểm tra thông số PLC ghi vào sở liệu SQL [12][13][14] Cũng kiểm tra yêu cầu thiết lập từ Website lưu database để đưa lên PLC Phần mềm Server thực thi chức kết nối phía người giám sát thơng qua website hệ thống giám sát phần cứng (PLC) - Phần giao diện người dùng website có chức nhập/sửa kế hoạch, theo dõi số liệu dây chuyền thời gian thực giao diện web, xuất liệu dạng file Excel - SQL database sử dụng để lưu trữ thông số sản xuất dây chuyền SQL có khả lưu trữ an tồn tương thích với phần mềm Server Website Có Hình Sơ đồ kiến trúc phần cứng 426 426 Thảo QuốcGia Gia2015 2015về vềĐiện Điện Tử, Tử,Truyền Truyền Thông Thông Thông TinTin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc vàCông CôngNghệ Nghệ Thông (ECIT 2015) khả chia sẻ cần thiết Mơ hình minh họa theo Hình Theo tính tốn tồn hệ thống hoạt động đáp ứng ràng buộc thời gian Bảng điểm dễ dàng để người dùng hiểu liệu truyền (Bảng 3) Bảng Định dạng Modbus ASCII [18] Bảng Chỉ tiêu đáp ứng hệ thống STT Chỉ tiêu kỹ thuật Thời gian trễ đáp ứng dây chuyền Thời gian trễ đáp ứng dây chuyền (tương ứng với PLC) Thời gian trễ đáp ứng 35 dây chuyền (tương ứng với PLC) Khoảng cách truyền thông sử dụng dây CAT5 Tên Start Address Function Data LRC End Thông số 100 ms 500 ms 2000 ms 100 m Độ dài (byte) 2 nx2 2 Chức Bắt đầu 0x3a Địa node cần tác động Mã chức Dữ liệu phụ thuộc loại tin Checksum Kết thúc 0x0d 0x0a Modbus TCP [9]: Định dạng thiết kế để sử dụng mạng Ethernet Dữ liệu truyền định dạng dạng mã hexadecimal (Bảng 4) B.1 Giao thức Modbus Được phát triển từ 1979, Modbus giao thức truyền thông nối tiếp phát triển ứng dụng nhiều PLC [16] Với lợi đơn giản, linh hoạt độ tin cậy, Modbus xem phương tiện kết nối phổ biến thiết bị điện tử công nghiệp Modbus hoạt động theo chế “Master/Slave” Mỗi node mạng gán địa Trong đường truyền nối tiếp Modbus+, “node master” lệnh Với mạng Ethernet, thiết bị gửi lệnh Modbus Tuy nhiên, thường có thiết bị gán master Một lệnh Modbus chứa địa node định (từ - 247) Chỉ thiết bị node hoạt động theo lệnh, node khác nhận lệnh Tất lệnh Modbus chứa thông tin checksum cho phép phía nhận phát lỗi truyền Dữ liệu truyền giao thức Modbus tuân theo định dạng chuẩn hóa, bao gồm đơn vị liệu giao thức (PDU), gán đơn vị liệu ứng dụng (ADU): PDU = Mã chức (Function code) + liệu ADU = Địa + PDU + Mã sửa sai Tất biến thể Modbus sử dụng loại định dạng tin sau: Bảng Định dạng Modbus TCP [9] Tên Transaction identifier Protocol identifier Độ dài (Byte) 2 Length field Unit identifier Function code Data bytes n Chức Đồng tin server client Modbus/TCP Số byte lại khung Dữ liệu phụ thuộc loại tin Mã chức Dữ liệu phản hồi/lệnh Modbus RTU [17]: Dữ liệu truyền theo bus nối tiếp, sử dụng chủ yếu đường truyền bit không đồng RS-485 (Bảng 2) Bảng Định dạng Modbus RTU [17] Tên Start Address Function Data CRC End Độ dài (bit) 28 8 nx8 16 28 Chức Địa node cần tác động Mã chức Dữ liệu phụ thuộc loại tin Mã CRC Hình Sự khác biệt định dạng Modbus TCP với Mobbus truyền thống [16] [17] [18] Mã CRC định dạng Modbus RTU có đa thức sinh x16 + x15 + x2 + Modbus ASCII [18]: Dữ liệu truyền theo bus nối tiếp, sử dụng chủ yếu đường truyền bit không đồng Dữ liệu truyền định dạng dạng mã hexadecimal (theo bảng mã ASCII) Modbus ASCII có ưu 427 427 HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 Công CôngNghệ NghệThông Thông (ECIT 2015) Thảo Quốc Gia 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông TinTin (ECIT 2015) Application server PLCs SQL database Website Hình Đóng gói liệu mơ hình TCP/IP [9] manager Hình 9: Sơ đồ tổng quan hệ thống phần mềm B.3 Phần mềm Server Phần mềm Server sử dụng giao tiếp với PLC giao thức Modbus TCP/IP Các PLC đánh địa nằm dải địa cho phép mạng LAN nhà máy Phần mềm Server nằm máy chủ mạng giao tiếp đồng thời với nhiều PLC với độ xác tốc độ theo chuẩn Ethernet Phần mềm hoạt động tốn tài nguyên hệ thống máy tính, quản lý tài ngun tốt giúp hoạt động lâu dài máy chủ Phần mềm Server thực chức hoạt động sau:  Gửi thông báo trạng thái Run hay Stop cho dây chuyền dựa thời gian sản xuất thiết lập trước  Gửi tham số để PLC theo dõi tính tốn ứng với dây chuyền bắt đầu phiên sản xuất  Ngược lại trình sản xuất phần mềm đọc giá trị sản lượng số thông tin phụ khác để đánh giá tốc độ/năng suất dây chuyền  Tính tốn số thơng số hiển thị website để người giám sát có đánh giá trực quan tiến độ sản xuất dây chuyền  Tính khác cịn cho phép người giám sát (được bảo mật cho người giám sát) điều khiển thay đổi số thơng số thiết bị hiển thị mà PLC điều khiển Hình Cấu trúc gói tin TCP ADU đóng vai trị phần liệu gói tin [9] Định dạng gói tin Modbus TCP khơng chứa phần mã sửa lỗi (CRC hay checksum) Theo mơ hình TCP/IP (hoặc mơ hình OSI), gói tin Modbus TCP thuộc lớp ứng dụng (Application Layer) Phần mã sửa sai gói tin chuyển xuống lớp bên đảm nhiệm B.2 Sơ đồ hoạt động tổng quan hệ thống phần mềm Tồn phần mềm hệ thống mơ tả hình 12 Gồm có tầng: tầng ứng dụng Server, tầng SQL database, tầng giao diện người dùng  Tầng ứng dụng Server:      Tầng SQL database    Thiết lập thông số cho PLC Cập nhật giá trị từ PLC ca sản xuất Cập nhật database Tính tốn giá trị theo dõi trực quan… Lưu trữ liệu thiết lập cho dây chuyền Trung gian website phần mềm Tầng giao diện người dùng    Nhập thông số cho dây chuyền Hiển thị thông số theo dõi Xem xuất báo cáo Hình 10 Giao diện chương trình Server 428 428 HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) hay giám sát nhập trước thông số cho dây chuyền trước nhiều ngày Ngoài việc nhập liệu trực tiếp từ giao diện Website quản lý nhập form mẫu cho trước Excel Điều tạo thuận tiện cho người quản lý Phần mềm hỗ trợ chức xem lại thông số sản xuất ca sản xuất trước lưu trữ database xuất kết giám sát ngày trước thời điểm file Excel khả tùy chỉnh vài thông số trình sản xuất Giao diện phần mềm Server thiết kế hoạt động đơn giản giảm thiểu lỗi quy trình vận hành cho nhân viên kỹ thuật (Hình 10) Mặc định chương trình chạy với chế độ tự động (Auto mode), người vận hành cần bật phần mềm cập nhật liệu thông qua website mà khơng cần tác động thêm đến phần mềm ngồi số lựa chọn thời gian cho ứng dụng xuất file excel thời gian khởi động ca làm việc muốn thay đổi Chế độ vận hành thủ cơng cho phép nhân viên kỹ thuật vận hành khâu thiết lập trước ca sản xuất theo dõi phản hồi trực tiếp giao diện phần mềm để biết tình trạng hệ thống có phương án khắc phục IV THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ Sau tiến hành nghiên cứu đưa mơ hình phần cứng phần mềm chúng tơi tiến hành thực thi tồn hệ thống dây truyền thực Bộ xử lý sử dụng PLC S71200 1214C hãng Siemens (Hình 13a), với thơng số bản: Bộ xử lý PLC gồm có 14 đầu vào, 10 đầu (có thể mở rộng lên tới 144 đầu vào, 140 đầu tùy vào modun mở rộng mà hãng Siemens hỗ trợ Tốc độ thực 40ns/lệnh Trong mơ hình hệ thống, PLC thiết bị chịu trách nhiệm xử lý số liệu phân tán Mỗi xử lý cho phép quản lý điều khiển tối đa dây chuyền lúc Hình 11 Giao diện trang nhập liệu B.4 Phần mềm quản trị theo dõi thông tin Phần mềm quản trị theo dõi thông tin thực Website có chức nhập liệu xuất liệu Khâu nhập liệu (Hình 11) nhằm thực thi chức nhập thông số sản xuất dây chuyền trước ca sản xuất hiệu chỉnh thông số ca sản xuất Các thông số bao gồm: thời gian hoạt động kíp sản xuất ca, sản lượng yêu cầu dây chuyển, số dây chuyền tham gia vào q trình sản xuất theo, thơng số mục tiêu sản lượng (a) PLC Siemens S7-1200 [2] (b) Bộ chuyển mạch IP Hình 13 PLC Siemens S7-1200 [2] Các xử lý nối với nối vào mạng LAN với máy chủ (server) thông qua chuyển mạch IP đạt chuẩn công nghiệp hãng Siemens [3] (Hình 13b) Hình 14 Thử nghiệm hệ thống phịng thí nghiệm Hình 12 Giao diện trang theo dõi sản lượng Khâu xuất liệu (Hình 12) thể chức hiển thị thông số sản xuất cập nhật từ phần mềm Server lưu database trình sản xuất từ dây chuyền như: sản lượng thời, tốc độ sản xuất so với dự kiến (tính theo %), sản lượng khung tiến độ làm việc dây chuyền, thông số thể trực quan màu sắc (xanh, vàng đỏ) Phần mềm cho phép người vận hành Hình 15 Lắp đặt hệ thống nhà máy 429 429 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hệ thống xây dựng kiểm thử phịng thí nghiệm (Hình 14) lắp đặt, thực nghiệm nhà máy (Hình 15) có mơi trường nhiệt độ cao, chịu ảnh hưởng nhiễu điện từ trường máy biến tần, động nhà máy gây khoảng thời gian tháng (2/2015-8/2015) Kết hệ thống họat động ổn định (không bị kết nối thời gian chạy thử nghiệm), tính tự động hóa cao (chỉ cần nhập kế hoạch sản xuất lần cho tháng lưu giữ sở liệu trực tuyến), sai số