Giáo trình điều khiển lập trình plc mạng plc

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM [[[[[ \\\\\ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC MẠNG PLC TH.S LÊ VĂN TIẾN DŨNG Lời nói đầu ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC & MẠNG PLC LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển không ngừng vũ bão công nghệ thông tin công nghệ vi mạch tích hợp tạo đột phá lónh vực tự động hóa Sự xuất ngày nhiều với tính ưu việt, linh hoạt điều khiển lập trình, module xử lý, truyền thông, giao tiếp mang lại hiệu cao cho trình sản xuất Ngày nay, nhà sản xuất đứng trước thách thức hội nhập - chiếm lónh thị trường nhằm ổ định phát triển, họ muốn đầu tư công nghệ sản xuất đại tự động hoàn toàn để giảm thiểu chi phí người vào sản xuất, ổn định sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng suất, an toàn cao, môi trường sản xuất khép kín đồng Toàn hoạt động trình sản xuất giám sát quản lý toàn diện thông qua giải pháp tự động hóa với PLC, mạng PLC SCADA Nhằm giúp đỡ bạn đọc có kiến thức định để hội nhập nhanh chóng vào lónh vực tự động hóa sản xuất, Giáo trình “Điều khiển lập trình PLC mạng PLC” tác giả biên soạn với tổng hợp kiến thức tự động hóa, lập trình thiết bị kinh nghiệm có từ thực tiễn ứng dụng PLC hệ thống mạng PLC phục vụ sản xuất Tự động hóa với PLC mạng PLC lónh vực có kiến thức rộng, tránh khỏi thiếu sót biên soạn Rất mong đóng góp độc giả gần xa Tp.HCM, ngày 16 tháng 10 năm 2004 Tác giả Mục lục ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC & MẠNG PLC MỤC LỤC PHẦN I: ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC Trang Chương :tổng quan PLC 1.1 Hệ thống điều khiển gì? 1.2 Vai trò điều khiển lập trình 1.3 PLC gì? 1.4 Lịch sử phát triển PLC 1.5 Đặc điểm PLC 1.6 Ưu điểm PLC 1.7 Ứng dụng CHƯƠNG - Cảm biến cấu chấp hành 2.1 Giới thiệu 2.2 Cảm biến 2.2.1 Cảm biến logic 2.2.3 Cảm biến tương tự 2.3 Cơ cấu chấp hành 2.3.1 Cơ cấu logic 2.3.2 Cơ cấu tương tự CHƯƠNG – Ngôn ngữ lập trình 3.1 Cấu trúc lệnh trạng thái kết 3.1.1 Các toán hạng 3.1.2 Thanh ghi trang thái 3.2 Các lệnh logic 3.3 Các lệnh so sánh 3.4 Các lệnh toán học 3.5 Các lệnh chuyển đổi liệu 3.6 Bộ thời gian 3.7 Bộ đếm 3.8 Các lệnh điều khiển chương trình CHƯƠNG – Kỹ thuật lập trình 4.1 Khái quát 4.2 Tổ chức nhớ CPU 4.3 Tổ chức trình điều khiển 4.4 Lập trình tuyến tính 4.5 Lập trình phân bố 4.6 Lập trình cấu trúc 5 10 10 12 20 20 25 32 40 44 58 60 67 73 83 89 103 103 104 108 113 118 ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC & MẠNG PLC Mục lục PHẦN II: Mạng PLC CHƯƠNG - Khái quát Mạng PLC 5.1 Mạng truyền thông công nghiệp 5.2 Vai trò ứng dụng 5.3 Cơ sở truyền thông 5.4 Kiến trúc giao thức OSI 5.5 Các hệ thống Bus tiêu chuẩn 5.6 Ghép mạng 5.7 Mạng Simatic 128 128 129 134 136 139 140 CHƯƠNG – Thiết kế hệ thống mạng PLC 6.1 Mạng ASI 6.2 Mạng Profibus 6.3 Mạng Inductrial Ethernet 145 155 160 Chương – Giới thiệu tổng quan PLC ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC - MẠNG PLC PHẦN I ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH (PLC) CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PLC Chủ đề: Hệ Thống Điều Khiển Là Gì? Vai trò PLC Hoạt động PLC Lịch sử phát triển PLC Đặc điểm PLC Ưu điểm PLC Ứng dụng Mục đích: Nắm rõ hoạt động thực thi chương trình PLC ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Giới thiệu tổng quan PLC 1.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÀ GÌ? Nói chung, hệ thống điều khiển tập hợp máy móc thiết bị điện tử nơi để đảm bảo hoạt động trình sản xuất hay hoạt động sản xuất ổn định, xác nhịp nhàng Những thành tựu tiến vượt bậc khoa học công nghệ, nhiệm vụ điều khiển phức tạp hoàn thành nhờ hệ thống điều khiển tự động cao, điều khiển lập trình có tham gia máy tính Ngoài việc giao tiếp tín hiệu với trường thiết bị vào – ( bảng vận hành, động cơ, cảm biến, van …), khả giao tiếp truyền thông liệu mạng thành phần điều khiển hệ thống thực Mỗi thành phần đơn giản hệ thống điều khiển đóng vai trò quan trọng mà không cần quan tâm đến kích cỡ Ví dụ hình 1.1 cho thấy PLC điều xảy xung quanh thiết bị cảm nhận tín hiệu Nó thực chuyển động học nối kết động với Hình 1.1 – Hệ thống điều khiển PLC 1.2 VAI TRÒ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH (PLC) Trong hệ thống tự động, nói chung PLC đïc ví tim hệ thống điều khiển Với chương trình ứng dụng điều khiển ( lưu trữ nhớ PLC) việc thực thi, PLC thường xuyên giám sát tình trạng hệ thống qua tính hiệu phản hồi ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Giới thiệu tổng quan PLC thiết bị đầu vào Sau dựa vào hợp lý chương trình để xác định tiến trình hoạt động thực thiết bị xuất cần thiết PLC sử dụng điều khiển nhiệm vụ đơn giản có tính lặp lặp lại vài nhiệm vụ liên kết với thiết bị điều khiển chủ máy tính chủ khác qua loại mạng giao tiếp để tích hợp điều khiển trình phức tạp Thiết bị đầu vào Sự thông minh hệ thống tự động phần lớn dựa vào khả PLC để đọc tín hiệu từ loại cảm biến tự động khác thiết bị đầu vào cưỡng tín hiệu Những nút nhấn, bàn phím, công tắc gạt tạo thành giao tiếp người máy loại thiết bị vào cưỡng tín hiệu Mặc khác, để phát vật thể, quan sát di chuyển cấu, kiểm tra áp suất mức chất lỏng nhiều kiện khác, PLC phải xử lý tín hiệu từ thiết bị cảm ứng tự động đặc biệt công tắc từ, công tắc hành trình, cảm biến quang điện, cảm biến mức độ Nhiều loại tín hiệu vào PLC ON/OFF hay tương tự Những tín hiệu vào giao tiếp với PLC qua loại môđun vào khác Thiết bị xuất Hệ thống tự động không hoàn chỉnh hệ thống PLC thật bị tê liệt giao tiếp với thiết bị xuất, chẳng hạn số thiết bị thông thường như: động cơ, cuộn dây, đèn thị, chuông báo…Thông qua hoạt động động cuộn dây, PLC điều khiển từ đơn giản đến phức tạp 1.3 KHÁI NIỆM PLC PLC (Programmable Logic Controller) thiết bị điều khiển lập trình, thiết kế chuyên dùng công nghiệp để điều khiển tiến trình xử lý từ đơn giản đến phức tạp, tuỳ thuộc vào người điều khiển mà thực loạt chương trình kiện, kiện kích hoạt tác nhân kích thích (hay gọi đầu vào) tác động vào PLC qua định thời (Timer) hay kiện đếm qua đếm Khi kiện kích hoạt bật ON, OFF phát chuỗi xung thiết bị bên gắn vào đầu PLC Như ta thay đổi chương trình cài đặt PLC ta thực chức khác nhau, môi trường điều khiển khác 1.3.1 Cấu trúc Một PLC bao gồm xử lý trung tâm, nhớ để lưu trữ chương trình ứng dụng môđun giao tiếp nhập – xuất Hình 1.2 mô tả sơ cấu trúc PLC 1.3.2 Hoạt Động Của PLC Về bản, hoạt động PLC đơn giản Đầu tiên, hệ thống cổng vào/ra (Input/Output) (còn gọi Module xuất/nhập) dùng để đưa tín hiệu từ thiết bị ngoại vi vào CPU (như sensor, contact, tín hiệu từ động …) Sau nhận tín hiệu đầu vào CPU xử lý đưa tín hiệu điều khiển qua môđun xuất ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Giới thiệu tổng quan PLC thiết bị điều khiển Hình 1.3 minh họa hoạt động PLC thực thi chương trình ứng dụng Kênh ngõ Rơle, Triac Transistor Kênh ngõ vào Hình 1.2 – Sơ đồ cấu trúc điều khiển lập trình Trong suốt trình hoạt động, CPU đọc quét (scan) liệu trạng thái thiết bị ngoại vi thông qua đầu vào, sau thực chương trình nhớ sau: đệm chương trình nhận lệnh từ nhớ chương trình đưa ghi lệnh để thi hành Chương trình dạng STL (Statement List – Dạng lệnh liệt kê) hay dạng LADDER (dạng hình thang) dịch ngôn ngữ máy cất nhớ chương trình Sau thực xong chương trình,sau truyền thông nội kiểm lỗi sau Hình 1.3 – Mô tả hoạt động PLC ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Giới thiệu tổng quan PLC CPU gởi cập nhật tín hiệu tới thiết bị, điều khiển thông qua môđun xuất Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu đầu vào, thực chương trình, truyền thông nội tự kiểm tra lỗi gởi cập nhật tín hiệu đầu gọi chu kỳ quét Như thời điểm thực lệnh vào/ra lệnh không xử lý trực tiếp với cổng vào mà xử lý thông qua nhớ đệm Nếu có sử dụng ngắt chương trình tương ứng với tín hiệu ngắt soạn thảo cài đặt phận chương trình Chương trình ngắt thực vòng quét xuất tín hiệu ngắt xảy điểm vòng quét Chu kỳ quét vòng PLC mô tả hình 1.4 Thực tế PLC thực chương trình (Program Execution), PLC cập Hình 1.4 – Chu kỳ vòng quét PLC nhật tín hệ ngõ vào (ON/OFF), tín hiệu không truy xuất tức thời để đưa (Update) đầu mà trình cập nhật tín hiệu đầu (ON/OFF) phải theo hai bước: xử lý thực chương trình, vi xử lý chuyển đổi mức logic tương ứng đầu “chương trình nội” (đã lập trình), mức logic chuyển đổi ON/OFF.Tuy nhiên lúc tín hiệu đầu “thật” (tức tín hiệu đưa Module out) chưa đưa Khi xử lý kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi mức logic (của tiếp điểm) hoàn thành việc cập nhật tín hiệu đầu thực tác động lên ngõ để điều khiển thiết bị đầu Thường việc thực thi vòng quét xảy với thời gian ngắn, vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực vòng quét từ 1ms tới 100ms Việc thực chu kỳ quét dài hay ngắn phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh, độ dài chương trình mức độ giao tiếp PLC với thiết bị ngoại vi (màn hình hiển thị…) Vi xử lý có đọc tín hiệu đầu vào tín hiệu tác động với khoảng thời gian lớn chu kỳ quét Nếu thời gian tác động đầu vào nhỏ chu kỳ quét vi xử lý xem tín hiệu Tuy nhiên thực tế sản xuất, thường hệ thống chấp hành hệ thống khí nên tốc độ quét đáp ứng chức dây chuyền sản xuất Để khắc phục khoảng thời gian quét dài, ảnh hưởng đến chu trình sản xuất, nhà thiết kế thiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời,dùng đếm tốc độ cao (High Speed Counter) hệ thống thường áp dụng cho PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập xử lý lượng thông tin lớn 1.4 SƠ LƯC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Vào năm thập niên 20 50, khoa học kỹ thuật số nước bước qua giai đoạn phát triển, số nhà sản xuất tìm nghiên cứu đưa giải pháp công nghệ nhằm nâng cao hiệu sản xuất tự động hóa công ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Giới thiệu tổng quan PLC đoạn sản xuất, giảm bớt lỗi sinh công đoạn phức tạp, đơn giản hóa thành phần điều khiển tạo thuận lợi lắp đặt, bảo trì thay thế, giảm thiểu tối đa không gian lắp đặt Năm 1968 thiết bị có khả đáp ứng nhiệm vụ nhà sản xuất là: thiết bị điều khiển lập trình (Programmable Controller) nhà thiết kế cho đời (công ty General Motor - Mỹ) Tuy nhiên, thiết bị đơn giản cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn việc vận hành hệ thống Vì nhà thiết kế bước cải tiến thiết bị làm cho thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, việc lập trình cho hệ thống khó khăn, lúc thiết bị lập trình ngoại vi hổ trợ cho công việc lập trình Để đơn giản hóa việc lập trình, thiết bị điều khiển lập trình cầm tay(Programmable Controller Handle) đời vào năm 1969 Điều tạo phát triển thực cho kỹ thuật điều khiển lập trình Trong giai đoạn thiết bị điều khiển lập trình (PLC) đơn giản nhằm thay hệ thống Relay dây nối hệ thống điều khiển cổ điển Qua trình vận hành, nhà thiết kế bước tạo tiêu chuẩn cho hệ thống, tiêu chuẩn là: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang (The Diagram Format) Trong năm đầu thập niên 1970, hệ thống PLC có thêm khả vận hành với thuật toán hỗ trợ (arithmetic), “vận hành với liệu cập nhật” (data manipulation) Do phát triển loại hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp người điều khiển để lập trình cho hệ thống trở nên thuận tiện Sự phát triển công nghệ thông tin mạch tích hợp điện tử vào năm cuối thập niên 80 tạo hệ thống phần cứng phần mềm hoàn thiện tốc độ, tin cậy, linh động, giao tiếp… thiết bị PLC phát triển mạnh với chức mở rộng: Hệ thống đầu vào/ra tăng lên đến 8000 cổng vào/ra, dung lượng nhớ chương trình tăng lên 128000 từ nhớ (word of memory) gắn thêm nhiều Module nhớ để tăng thêm kích thước chương trình Ngoài nhà thiết kế tạo kỹ thật kết nối với hệ thống PLC riêng lẽ thành hệ thống PLC chung, kết nối với hệ thống máy tính, tăng khả điều khiển hệ thống riêng lẽ Tốc độ xử lý hệ thống cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với chức phức tạp, số lượng cổng ra/vào lớn Một số thuật toán dùng cho điều khiển tích hợp vào phần cứng điều khiển PID (cho điều khiển nhiệt độ, cho điều khiển tốc độ động cơ, cho điều khiển vị trí), điều khiển mờ, lọc nhiễu tín hiệu đầu vào vv Trong tương lai hệ thống PLC không giao tiếp với hệ thống khác thông qua CIM (Computer Integrated Manufacturing) để điều khiển hệ thống: Robot, Cad/Cam, … Ngoài nhà thiết kế xây dựng loại PLC với chức điều khiển “thông minh” (intelligence) gọi siêu PLC (super PLC) cho tương lai Hiện PLC nhiều hãng khác sản xuất như: Siemens, Omron, Mitsubishi, Festo, Alan Bradley, Schneider, Hitachi vv Mặt khác PLC bổ sung thêm thiết bị mở rộng khác :các cổng mở rộng AI (Analog Input), DI (Digital Input), thiết bị hiển thị, nhớ Cartridge thêm vào 10 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Thiết kế hệ thống mạng PLC 6.1.4.2.2 Các cấu trúc ASI slave Dữ liệu I/O Các tham số Dữ liệu cấu hình Dữ liệu cấu hình chứa cấu hình I/O mã ID slave Địa Các slave có địa “0” lắp đặt Để phép trao đổi liệu slave phải lập trình với địa khác khác không Địa “0” dành cho chức riêng biệt 6.1.4.2.3.Các giai đoạn hoạt động Sơ đồ hình 6.13 cho thấy giai đoạn hoạt động trình truyền liệu Chúng có giai đoạn chính: Giai đoạn khởi tạo ban đầu (Initialization phase) Giai đoạn khởi động (Startup Phase) Giai đoạn trao đổi liệu (Data Exchange Phase) Chế độ khởi tạo ban đầu Giai đoạn gọi giai đoạn offline, thiết lập trạng thái master Module khởi tạo trị sau chuyển mạch Giai đoạn khởi động Giai đoạn bao gồm: • Giai đoạn phát Phát slave giai đoạn khởi động • Giai đoạn kích hoạt Sau phát trạm, chúng kích hoạt master gửi lệnh gọi đặc biệt Khi kích hoạt trạm riêng, có khác biệt hai chế độ ASI master: − Master chế độ cấu hình: Tất trạm phát kích hoạt Ở chế độ giá trị thật đọc lưu chúng cho cấu hình − Master chế độ bảo vệ: Chỉ có trạm tương ứng với cấu hình mong đợi lưu ASI master kích hoạt Nếu cấu hình thật tìm thấy ASI slave khác với cấu hình mong đợi Master đưa trạm kích hoạt vào danh sách trạm kích hoạt Chế độ bình thường (giai đoạn trao đổi liệu) Khi kết thúc giai đoạn khởi động, ASI master chuyển sang chế độ bình thường: − Giai đoạn trao đổi liệu: Master gửi liệu tuần hoàn trạm nhận thông điệp ghi nhận − Giai đoạn quản lý: Giai đoạn này, tất công việc có ứng dụng điều khiển xử lý gửi − Giai đoạn bao hàm: Giai đoạn này, slave thêm vào đưa vào danh sách slave phát cung cấp chế độ cấu hình chúng kích hoạt Nếu master chế độ bảo 159 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Thiết kế hệ thống mạng PLC vệ có slave lưu trữ cấu hình mong đợi ASI master kích hoạt Với chế slave hết phục vụ tạm thời bao hàm lần 6.1.4.2.4 Chức giao tiếp Để kiểm soát hoạt động master/slave từ chương trình người dùng, có nhiều chức khả dụng giao tiếp minh họa hình 6.14 Các hoạt động bao gồm: Read/Write (đọc/ghi) Khi ghi tham số chuyển đến slave ảnh tham số CP Khi đọc, tham số chuyển từ slave ảnh tham số từ CP vào CPU Read/Write configuration data (đọc/ghi liệu cấu hình) Các tham số đặt cấu hình hay liệu cấu hình đọc từ nhớ không bốc CP Configure actual (Đặt cấu hình thật) Khi đọc tham số liệu cấu hình đọc vào lưu trữ thường xuyên CP Khi ghi, tham số liệu cấu hình lưu trữ thường xuyên CP Supply slaves with configured parameters (Cung cấp tham số đặt cấu hình cho slave) Các tham số cấu hình chuyển từ vùng nhớ không bốc CP đến slave Hình 6.14 – Các chức giao tiếp 6.2 MẠNG PROFIBUS 6.2.1 GIỚI THIỆU 6.2.1.1 Profibus gì? Profibus thuật ngữ mô tả mạng truyền thông tin số sử dụng công nghiệp để thay trình truyền tín hiệu analog 4-20mA tồn thời gian dài qua Đây mạng truyền thông số, chiều, multidrop, bus nối tiếp nhằm để kết nối thiết bị 160 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Thiết kế hệ thống mạng PLC field cách ly điều khiển, chuyển đổi tín hiệu, cảm biến cấu chấp hành Mỗi thiết bị field có khả tính toán cài đặt làm cho thiết bị thành thiết bị thông minh Mội thiết bị field thực hành chức đơn giản chức chuẩn đoán, điều khiển bảo trì cung cấp khả truyền thông hai chiều Ngoài cho phép liên lạc với thiết bị filed khác Cốt lỏi fieldbus thay mạng điều khiển tập trung thành mạng điều khiển phân tán Do fieldbus có nhiều chức ưu việt so với việc thay chuẩn analog 420mA 6.2.1.2 Các thuận lợi fieldbus • Giảm giá thành • Tiết kiệm chi phí ban đầu cho dự án công nghệ • Tiết kiệm bảo hành, bảo trì thay • Nâng cao hiệu sản xuất, chất lượng sản phẩm • Bảo đảm tính an toàn sản xuất vệ sinh môi trường • Quản lý chặt chẽ hiệu 6.2.1.3 Truyền thông công nghiệp Sự phát triển vũ bão IT góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ tự động hóa Nó thay đổi hệ phân cấp, cấu trúc trình trao đổi thông tin cấp hệ thống Truyền thông tăng theo chiều ngang cấp field theo chiều dọc qua mức phân cấp Ở cấp Actuator/Sensor tín hiệu sensor actuator nhị phân truyền qua ASI bus Đây kỹ thuật lắp đặt chi phí thấp, đơn giản, qua liệu nguồn điện 24V cho thiết bị cuối truyền qua môi trường chung Dữ liệu truyền xoay vòng Ở cấp field thiết bị ngoại vi phân bố I/O module, cảm biến đó, cấu truyền động, slave operation terminal truyền thông với hệ thống tự động qua hệ thống truyền thông thời gian thực Việc truyền liệu trình theo vòng tuần hoàn, cảnh báo, tham số liệu chẩn đoán phải truyền không đồng cần Profibus giải pháp nhằm thoả mãn yêu cầu đồng thời giải pháp thông suốt cho sản xuất tự động hoá trình Ở cấp cell, đềiu khiển lập trình PLC IPC truyền thông với Luồng thông tin cần gói liệu lớn số lớn chức truyền thông mạnh Tích hợp vào hệ thống truyền thông toàn công ty Intranet Internet qua TCP/IP Ethernet yêu cầu quan trọng 6.2.1.4 PROFIBUS (PROcess Field Bus) PROFIBUS mạng cho cấp cell cấp field hệ thống truyền thông simatic mở Nó ứng dụng để truyền liệu từ nhỏ đến trung bình Về mặt vật lý, PROFIBUS mạng điện dựa cáp dây mạng quang dựa cáp sợi quang mạng vô tuyến với truyền hồng ngoại (IR) 6.2.2 CÔNG NGHỆ PROFIBUS 161 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Thiết kế hệ thống mạng PLC PROFIBUS chuẩn fieldbus cho giải rộng ứng dụng sản xuất tự động hóa trình PROFIBUS cho phép truyền thông thiết bị nhà sản xuất khác không cần thêm điều chỉnh giao tiếp PROFIBUS sử dụng cho hai ứng dụng: ứng dụng đò hỏi thời gian đáp ứng với tốc độ cao công việc truyền thông phức tạp PROFIBUS cho giao thức truyền thông (Communication Profiles): DP FMS Tùy theo ứng dụng cụ thể mà ta sử dụng công nghệ truyền dẫn sau (Physical Profiles): RS485, IEC 1158-2 sợ quang 6.2.2.1 Giao thức truyền thông Giao thức truyền thông profibus định nghóa người dùng truyền nối tiếp liệu chúng qua môi trường chung • DP (Distributed Periphery) DP giao thức thông dụng sử dụng nhiều Nó tối ưu tốc độ, hiệu suất giá kết nối thấp thiết kế cho truyền thông hệ thống tự động ngoại vi phân bố • FMS (Field Message Specification) Đây giao thức truyền thông vạn cho nhiều chức ứng dụng để truyền thông thiết bị có tính thông minh 6.2.2.2 Công nghệ truyền dẫn Do yêu cầu bus truyền thông đòi hỏi độ tin cậy truyền cao, khoảng cách xa, tốc độ truyền cao mặc khác trình tự động hóa sản xuất thêm yêu cầu hoạt động vùng nguy hiểm lượng đường truyền chung Hiện có phương pháp truyền dẫn profibus khả dụng nhất: • Truyền RS-485 cho ứng dụng tự động hóa sản xuất • Truyền IEC 1158-2 cho ứng dụng tự động hóa trình • Sợi quang cải thiện tính nhiễu điện khoảng cách mạng lớn 6.2.3 ĐẶC TÍNH CỦA PROFIBUS PROFIBUS cho phép nối thiết bị điều khiển theo truyền nối tiếp từ cấp cell đến cấp field Trong có nhiều master nhiều slave, ghép nối nhiều hệ thống tự động hóa, hệ thống kỹ thuật trạm hiển thị với ngoại vi phân bố chúng bus PROFIBUS phân biệt kiểu thiết bị sau: • Thiết bị master xác định truềyn liệu bus Một master gửi thông điệp không cần có yêu cầu bên giữ quyền truy cập Các master gọi trạm tích cực nút tích cực • Thiết bị slave ngoại vi thiết bị I/O, slave, truyền động cảm biến đo lường Chúng quyền truy cập bus chúng báo cho biết nhận thông điệp gửi htông điệp đến master có yêu cầu 6.2.3.1 Công nghệ truyền RS-485 Truyền dẫn RS-485 thường sử dụng nhiều PROFIBUS Những ứng dụng mà lắp đặt không cần đắt tiền, đơn giản truyền tốc độ cao Tốc độ truyền từ 9.6 Kbps tới 12 Mbps Một tốc độ truyền chọn cho tất thiết bị bus hệ thống sẵn sàng 162 Chương – Thiết kế hệ thống mạng PLC ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Lắp đặt RS-485 Tất thiết bị nối vào cấu trúc bus Tối đa 32 trạm (master hay slave)có thể nối vào segment (đoạn) Bus kết thúc kết thúc bus tích tực (active bus terminator) đầu cuối segment (xem hình 6.15) Để bảo đảm hoạt động lỗi đầu kết thúc bus luôn cấp điện Cổng nối mạng Vị trí chuyển mạch = On Cổng nối mạng cắm vào EM 277 tớ Cổng nối mạng cắm vào CP5611 máy tính có cổng lập t ì h Cổûng nối mạng Vị trí chuyển mạch = Off Cổng nối mạng có cổng lập trình gắn vào CPU 315 Cáp truyền thông mạng profibus Cổng nối mạng cắm vào EM 277 tớ Cổng nối mạng cắm vào CP5611 máy tính Cổng nối mạng cắm vào CP5611 máy tính Hình 6.15 - Nối kết đường cáp truyền liệu mạng Trong trường hợp 32 trạm để mở rộng mạng ta phải dùng đến repeater để liên kết đoạn bus lại với nhau, hình 6.16 mô tả trạm DTE (data terminal equipment) bus nối repeater Chiều dài tối đa cáp phụ thuộc vào tốc độ truyền: tốc độ truyền cao chiều dài cáp cáng giảm Hình 6.16 – Các đoạn bus nối repeater bảng 6.1 163 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Thiết kế hệ thống mạng PLC 6.2.3.2 Công nghệ truyền IEC 1158-2 Truyền đồng với IEC 1158-2 với tốc độ truyền xác 31.25Kbps sử dụng tự động hóa trình KBaud rate Max Segment length Max Expansion Nó thỏa mãn yêu cầu 9,6 1000m 10,000m quan trọng kỹ nghệ 19,2 1000m 10,000m hóa dầu hóa chất: an 187.5 1000m 10,000m toàn cấp lượng qua 500.0 400m 4,000m bus sử dụng chung cáp 1,500.0 200m 2,000m truyền công nghệ dây 3,000.0 100m 1,000m Như PROFIBUS 6,000.0 100m 1,000m sử dụng 12,000.0 100m 1,000m vùng nguy hiểm Bảng 6.1 – Tốc độ truyền - chiều dài cáp truyền RS-485 Các đặc tính công nghệ truyền IEC 1158-2: số trạm nối segment 32 trạm, repeater bổ sung đến để tăng trạm mạng, lớp bảo vệ nổ cấp lượng từ xa qua đường liệu 6.2.3.3 Truyền sợi quang Cáp sợi quang sử dụng PROFIBUS cho ứng dụng môi trường có nhiễu điện cao, để cách ly điện để tăng khoảng cách mạng tối đa có tốc độ truyền cao Có nhiều sợi quang có đặc tính khác sau: Các thành phần quang sợi PROFIBUS số nhà sản xuất cho phép tạo link quang sợi thừa với khả chuyển tự động sang đường truyền vật lý khác có hư Kiểu sợi quang Sợi thủy tinh MM Sợi thủy tinh SM Sợi tổng hợp Sợi PCS/HSC Tính chất Khoảng cách trung bình 2-3 km Khoảng cách xa >15 km Khoảng cách ngắn Khoảng cách ngắn >500m hỏng Nhiều nhà sản xuất cung cấp coupler link truyền RS-485 sợi quang 6.2.4.TRUYỀN THÔNG VỚI PROFIBUS 6.2.4.1 Truyền thông với PROFIBUS –DP • Kết nối thiết bị vào PLC Master • Truyền lượng liệu nhỏ nhanh, - Truyền thông master/slave tuần hoàn - Hoạt động master - Giao tiếp với giao thức đơn giản Slave Slave Slave hóa • Trao đổi liệu theo khung: - Master gửi liệu đến slave - Các slave thông báo trả liệu master 164 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Thiết kế hệ thống mạng PLC Các hệ thống hay nhiều master cài đặt PROFIBUS-DP Điều khiến cho hệ thống mềm dẽo Tối đa cài vào 126 thiết bị (master hay slave) vào bus Cấu hình thiết bị: gán cấu hình hệ thống bao gồm số trạm, địa trạm, phân phát vùng nhớ cho địa I/O, tham số bus sử dụng thông điệp chẩn đoán Các kiểu thiết bị: Mỗi hệ thống PROFIBUS-DP bao gồm nhiều loại thiết bị cài đặt tùy theo tính hoạt động Cơ có loại phân theo công việc: DP master class1 Đây điều khiển tập trung dùng để trao đổi thông tin, liệu với trạm phân bố theo chu kỳ thông điệp định trước Chẳng hạn: PLC, CNC, Robot Control DP master class2 Các thiết bị kiểu thiết bị lập trình, thiết bị đặt cấu hình chẩn đoán Các thiết bị dùng khởi động hệ thống để đặt cấu hình cho hệ thống DP DP slaves Một DP slave thiết bị I/O mà đọc thôgn tin nhập từ trình xuất liệu trình Hoạt động hệ thống Hệ thống master: có master tích cựa bus Hệ thống nhiều master: có nhiều master bus có thêm thiết bị đặt cấu hình… Đặc điểm PROFIBUS-DP Giao tiếp truyền thông tuần hoàn nhanh với thiết bị trường field Tốc độ truyền liệu đến 12 Mbps Thời gian đáp ứng nhanh đo với 10 trạm ET200 trạm có 32 I/O 0.35ms Đối với yêu cầu thời gian đáp ứng xác thực thiết bị DP FMS hệ thống bus Trao đổi liệu: Nguyên tắc làm việc trình trao đổi liệu mạng thực ánh xạ biến qua vùng biến V (variable memory) Sự cấp phát vùng nhớ điều khiển cho điều khiển phải tuân theo trật tự vùng nhớ để truy xuất liệu thu nhận liệu không sinh lỗi xung đột tranh chấp liệu Đồng thời phải nắm rõ tương tác I/O hệ thống (chỉ bao gồm điều khiển tớ) để sử dụng đảm bảo đủ nhớ 6.2.4.2 Truyền thông với PROFIBUS-FMS Truyền thông PROFIBUS-FMS • Kết nối PLC với nhau, Master Master Master kết nối thiết bị field • Chuyển lượng liệu lớn • Hoạt động nhiều master: gửi chủ quyền từ master đến master Slave Slave FMS ngôn ngữ cho truyền thông theo thông điệp FMS protocol chuẩn hóa 165 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Thiết kế hệ thống mạng PLC ý nghóa thông điệp (ngữ nghóa) mà dạng khuôn liệu cho cấu trúc thông điệp ( cú pháp) Các ứng dụn liên quan cộng truyền thông PROFIBUS-FMS là: • VFD (Virtual Field Device) = thiết bị field ảo • Truy cập đối tượng ( ví dụ biến) 6.3 MẠNG ETHERNET CÔNG NGHIỆP 6.3.1 Khái niệm Các yêu cầu truyền thông công nghiệp khác hẵn nhiều so với truyền thông văn phòng ta thường dùng ngày công việc, giải trí Điều thực tế ảnh hượng đến tất khía cạnh truyền thông thành phần mạng tích cực thụ động, DTE kết nối, tính khả dụng, cách thức truy cập, truyền thông liệu điều kiện môi trường… Với hệ thống sản xuất lớn có nhiều line sản xuất việc quan sát toàn nhà máy, điều hành giám sát nhà máy vấn đề quan trọng thiết thực việc nâng cao hiệu sản xuất Xuất phát từ mục đích này, khả điều khiển PLC không chủ đạo, không đáp ứng tính chất phức tạp trình mà kể đến nhiều phần tử khác tạo nên hệ thống truyền thông hiệu cao Ngày có nhiều hệ thống tự động hóa phân bố sử dụng nhiều vào sản xuất tự động hóa trình nhằm làm cho trình điều khiển phức tạp chia thành công việc nhỏ với mức đơn giản Do cần có truyền thông hệ thống phân bố Các cấu trúc phân bố cho phép việc sau: - Khởi động đồng thời độc lập phần riêng biệt hệ thống - Các chương trình nhỏ rõ ràng - Xử lý song song hệ thống phân bố, kết giảm thời gian đáp ứng, tải nhỏ đơn vị xử lý riêng - Tăng tính khả dụng hệ thống - Với hệ thống truyền thông mở, không đồng bộ, mạng công nghiệp sử dụng cho cấp quản lý cấp phần tử Truyền thông mạng công nghiệp điện, quang, kết hợp điện lẫn quang theo yêu cầu cục Mạng công nghiệp định nghóa theo chuẩn quốc tế IEEE 802.3 • Chuẩn Ethernet IEEE802.3 - Chuẩn IEEE802.3 chuẩn dựa cáp đồng trục (Triaxial cable) làm đường truyền Cơ sở truyền thồng dựa kỹ thuật báo hiệu giải kỹ thuật truy cập CSMA/CD • Báo hiệu giải ( Baseband signaling) Tín hiệu truyền không bị điều chế dạng xung môi trường truyền Môi trường truyền tạo nên kênh truềyn mà dung lượng chia xẻ DTE nối vào kênh Các DTE nhận liệu môi trường truyền đồng thời Ở thời điểm có DTE truyền, có DTE khác truyền gây va chạm môi trường truyền dẫn đến hư hỏng liệu Do cần 166 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Thiết kế hệ thống mạng PLC có chế điều phối môi trường truyền liệu chung Để giải vấn đề IEEE802.3 đưa giải pháp giao thức CSMA/CD • Truy cập mạng giao thức CSMA/CD - Mạng công nghiệp truy cập giao thức CSMA/CD Đây kỹ thuật truy cập phân bố, nghóa DTE nối vào mạng có quyền truy cập - Nếu DTE muốn gửi liệu, đầu tiêng lắng nghe môi trường để tìm xem có DTE truyền môi trường lúc hay không Nếu DTE truyền bắt đầu truyền liệu Nếu phát DTE sử dụng môi trường truyền phải đợi môi trường rảnh rỗi - Tất DTE lắng nghe liệu truyền Dựa vào thông tin địa đích liệu mà DTE ghi nhận xem có phải nhận liệu hay không Nếu đồng thời nhiều DTE truyền môi trường rảnh xảy va chạm sau thời gian truyền Tuy nhiên DTE đề có chế phat va chạm Tất DTE có liên quan đến va chạm tự dừng truyền liệu sau thời gian ngẫn nhiên với DTE gửi liệu lại Việc lặp lại DTE truyền liệu thành công va chạm Các DTE khác đợi môi trường rảnh • Miền va chạm Khoảng cách mà giao thức CSMA/CD hoạt động hoàn chỉnh để đảm bảo cho kỹ thuật truy cập CSMA/CD hoạt động việc mở rộng mạng Ethernet bị giới hạn thời gian truyền đạt cho phép tối đa gói liệu Trong Ehternet 10 Mbps cổ điển khoảng cách 4520m • Mạng điện (IEEE) Môi trường truyền cáp đồng trục với tốc độ truyền trung bình Chúng bao gồm đoạn cáp riêng biệt có chiều dài 500m Mạng tăng tới tốc độ 100 Mbps trình truyền sử dụng thêm Repeater 167 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Thiết kế hệ thống mạng PLC Mạng sợi quang Môi trường truyền cáp sợi quang đa cách (MMFO) với sợi thủy tinh loại 62.5/125 µm Các link sợi quang luôn link từ đầu đến đầu thành phần tích cực Điều có nghóa luôn có link trực tiếp từ thành phần mạng đến cổng thành phần mạng khác Thành phần mạng có nhiệm vụ tái tạo lại tín hiệu liệu thu phân bố chúng cách xuất liệu lần qua tất cổng Cấu trúc mạng xác lập thành phần OLM ghép hình • • Ethernet nhanh (Fast Ethernet) Fast Ethernet có đặc tính chủ yếu chuẩn Ethernet cổ điển với tốc độ liệu tăng lên 10 lần: 100 Mbps • Mạng Switching Switch dùng để tăng dung lượng truyền thông mở rộng mạng Trong nhà máy sản xuất lớn việc sử dụng mạng Ethernet thường làm việc với lưu lượng liệu lớn đạt đến giới hạn Khi mở rộng mạng thường dung lượng bị giới hạn dãi truyền khả mở rộng bị giới hạn giao thức CSMA/CD Vậy cách sử dụng công nghệ Switch giới hạn mạng mở rộng đáng kể Mạng Switching kết cấu cáp thẳng vòng quang tính khả dụng cao Khả mở rộng mạng không giới hạn, thường dùng đến 150 km 168 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Thiết kế hệ thống mạng PLC 6.3.2 Truyền thông mạng Các DTE truyền liệu mạng thông qua xử lý truyền thông Ethernet CP IT-CP thiết bị lập trình giám sát (OP/PG) 169 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Thiết kế hệ thống mạng PLC 6.3.2.1 Truyền thông OP/PG qua mạng Ethernet 6.3.2.2 Truyền thông S7 qua mạng Ethernet 170 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Thiết kế hệ thống mạng PLC 6.3.2.3 Các liên kết truyền thông liệu 6.3.2.4 Giao thức SEND-RECEIVE CPU 6.3.2.5 Lập chương trình cho trình truyền nhận liệu Chương trình khởi trình truyền vùng liệu người dùng theo thủ tục gọi hàm FC quan sát trình truyền ước lượng mã trả FC • Các thông số sau truyền hàm FC gọi: - Số liên kết (ID) - Vị trí vùng liệu người dùng CPU • Gọi hàm FC chương trình CPU 171 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Thiết kế hệ thống mạng PLC 172 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương – Thiết kế hệ thống mạng PLC Tài liệu tham khảo: [1] “Industrial Communication” Siemens, Germany [2] NCM S7 for PROFIBUS Primer SIEMENS AG [3] NCM S7 for Industrial Ethernet Primer SIEMENS AG [4] SIMATIC NET IT-CP, Manual SIEMENS AG [5] SIMATIC Communication with SIMATIC Manual SIEMENS AG [6] SIMATIC NET Industrial Twisted Pair Networks SIEMENS AG [7] SIMATIC NET Ethernet Manual SIEMENS AG Chú thích thuật ngữ sử dụng tài liệu CP Communications processor CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection FC Function TSAP Transport Service Access Point TCP/IP Transport Connection Protocol; IP = Internet Protocol UDP User Datagram Protocol FMS Field (bus) Message Specification FDL Fieldbus Data Link 173 ... PLC ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC - MẠNG PLC PHẦN I ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH (PLC) CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PLC Chủ đề: Hệ Thống Điều Khiển Là Gì? Vai trò PLC Hoạt động PLC Lịch sử phát triển PLC. .. PHẦN I: ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC Trang Chương :tổng quan PLC 1.1 Hệ thống điều khiển gì? 1.2 Vai trò điều khiển lập trình 1.3 PLC gì? 1.4 Lịch sử phát triển PLC 1.5 Đặc điểm PLC 1.6 Ưu điểm PLC 1.7... thống điều khiển PLC 1.2 VAI TRÒ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH (PLC) Trong hệ thống tự động, nói chung PLC đïc ví tim hệ thống điều khiển Với chương trình ứng dụng điều khiển ( lưu trữ nhớ PLC)