Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp
Vào đầu thế kỷ 20, các hệ thống điều khiển quá trình và sản xuất chủ yếu dựa trên công nghệ cơ khí và thiết bị xử lý tín hiệu tương tự Sau đó, sự phát triển của công nghệ điều khiển bằng khí nén và thủy lực đã được áp dụng, cho phép điều khiển hệ thống từ xa thông qua trung tâm điều khiển Đến nay, những kỹ thuật này vẫn giữ vai trò quan trọng và phổ biến trong ngành công nghiệp.
Sự phát triển mạnh mẽ của các giải pháp tự động hóa dựa trên hệ thống truyền thông số là kết quả của những tiến bộ trong vi điện tử, kỹ thuật máy tính, kỹ thuật thông tin và tự động hóa Mạng truyền thông công nghiệp (MCN) là thuật ngữ chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, dùng để kết nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống truyền thông công nghiệp hiện nay cho phép kết nối ở nhiều cấp độ khác nhau, từ cảm biến và cơ cấu chấp hành dưới cấp trường đến máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp điều hành doanh nghiệp.
Ghép nối thiết bị và trao đổi thông tin là yếu tố cốt lõi trong giải pháp tự động hóa Các bộ điều khiển cần được kết nối với cảm biến và cơ cấu chấp hành, đồng thời, các bộ điều khiển trong hệ thống điều khiển phân tán cũng phải giao tiếp để phối hợp điều khiển quá trình sản xuất Ở cấp độ cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cần kết nối và giao tiếp với các bộ điều khiển để theo dõi và giám sát toàn bộ quy trình sản xuất và hệ thống điều khiển.
Hình 1.1 Nối dây truyền thông (a) và nối mạng công nghiệp (b)
Việc áp dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường, để thay thế phương pháp kết nối điểm - điểm truyền thống giữa các thiết bị công nghiệp mang lại nhiều lợi ích đáng kể.
Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp bằng cách kết nối nhiều thiết bị thuộc các loại khác nhau thông qua một đường truyền duy nhất.
Hệ thống này giúp tiết kiệm dây nối và giảm công thiết kế, lắp đặt nhờ vào cấu trúc đơn giản Việc thiết kế trở nên dễ dàng hơn, khi một lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường duy nhất, từ đó giảm đáng kể chi phí nguyên vật liệu và công lắp đặt.
Kỹ thuật truyền thông số nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin bằng cách giảm thiểu tác động của nhiễu, điều mà phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển dễ gặp phải Các thiết bị mạng không chỉ truyền tải thông tin một cách chính xác hơn mà còn có khả năng tự phát hiện và chẩn đoán lỗi Hơn nữa, việc giảm thiểu các chuyển đổi giữa tín hiệu tương tự và số cũng góp phần nâng cao độ chính xác của thông tin.
Nâng cao tính linh hoạt và khả năng mở rộng của hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế cho phép sử dụng thiết bị từ nhiều hãng khác nhau Việc thay thế, nâng cấp và mở rộng chức năng của hệ thống trở nên dễ dàng hơn, đồng thời khả năng tương tác giữa các thành phần phần cứng và phần mềm được cải thiện nhờ các giao diện chuẩn.
Việc đơn giản hóa và tiện lợi hóa tham số hóa, chẩn đoán, định vị lỗi và sự cố của các thiết bị được thực hiện thông qua một đường truyền duy nhất Điều này cho phép thiết bị trao đổi dữ liệu quá trình, cũng như gửi các dữ liệu tham số, trạng thái, cảnh báo và chẩn đoán lẫn nhau Các thiết bị có thể tích hợp khả năng tự chẩn đoán và các trạm trong mạng có thể cảnh giới lẫn nhau Hệ thống có thể được cấu hình, lập trình, tham số hóa, chỉnh định và đưa vào vận hành từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm.
Hệ thống mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới, bao gồm việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp để áp dụng các kiến trúc điều khiển hiện đại như điều khiển phân tán và điều khiển giám sát Điều này cho phép thực hiện chẩn đoán lỗi từ xa qua internet, đồng thời tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển và giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty.
Mạng truyền thông công nghiệp đã thay đổi cách tiếp cận thiết kế và tích hợp hệ thống, mang lại lợi ích không chỉ về kỹ thuật mà còn về hiệu quả kinh tế Do đó, ứng dụng của mạng công nghiệp trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực, bao gồm điều khiển quá trình, tự động hóa xí nghiệp, tự động hóa tòa nhà và điều khiển giao thông.
Trong điều khiển quá trình, các hệ thống bus trường đang dần thay thế mạch dòng tương tự Trong tự động hóa xí nghiệp và tòa nhà, việc sử dụng bus giúp loại bỏ nhiều phần tử trung gian bằng cách kết nối trực tiếp các thiết bị cảm biến và chấp hành Tóm lại, mạng truyền thông công nghiệp là yếu tố thiết yếu cho việc tích hợp các hệ thống tự động hóa hiện đại.
Cấu trúc tổng quan của mạng truyền thông công nghiệp
Hình 1.2 Cấu trúc tổng quan của mạng truyền thông công nghiệp
Bus trường, bus thiết bị
Bus trường (fieldbus) là hệ thống bus nối tiếp trong ngành công nghiệp chế biến, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị điều khiển như PC và PLC với các thiết bị chấp hành và thiết bị trường Chức năng chính của cấp chấp hành bao gồm đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu khi cần thiết Các thiết bị có khả năng nối mạng bao gồm vào/ra phân tán, cảm biến, bộ chuyển đổi và cơ cấu chấp hành, tất cả đều có khả năng xử lý truyền thông Một số kiểu bus trường đặc biệt thích hợp cho việc kết nối cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển, được gọi là bus chấp hành/cảm biến.
Các hệ thống bus trường phổ biến hiện nay bao gồm PROFIBUS, ControlNet, INTERBUS, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus và Foundation Fieldbus Ngoài ra, DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus cũng là những hệ thống bus cảm biến và chấp hành tiêu biểu.
Bus hệ thống, bus điều khiển
Các hệ thống mạng công nghiệp, thường được gọi là bus hệ thống hoặc bus quá trình, kết nối các máy tính điều khiển và máy tính giám sát trong lĩnh vực điều khiển quá trình Qua bus hệ thống, các máy tính điều khiển phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu cho các trạm kỹ thuật và quan sát, đồng thời nhận lệnh và tham số từ các trạm cấp trên Thông tin được trao đổi không chỉ theo chiều dọc mà còn theo chiều ngang giữa các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và trạm chủ Hệ thống này cũng cho phép kết nối các máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu.
Do yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối đa dạng giữa các loại máy tính, hầu hết các bus hệ thống phổ biến hiện nay đều dựa trên nền tảng Ethernet, chẳng hạn như Industrial Ethernet, High Speed Ethernet (HSE) của Fieldbus Foundation và Ethernet/IP.
Mạng xí nghiệp là một mạng LAN kết nối các máy tính văn phòng trong cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Thông tin được truyền tải bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, giàn máy và hệ thống điều khiển tự động, cùng với các số liệu về diễn biến sản xuất và chất lượng sản phẩm Ngược lại, thông tin bao gồm các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành Ngoài ra, thông tin cũng được trao đổi mạnh mẽ giữa các máy tính trong cấp điều hành sản xuất, hỗ trợ làm việc nhóm, cộng tác dự án và sử dụng chung tài nguyên mạng như máy in và máy chủ.
Mạng xí nghiệp khác với các hệ thống bus cấp dưới ở chỗ không yêu cầu tính năng thời gian thực nghiêm ngặt Dữ liệu thường được trao đổi không định kỳ, đôi khi với khối lượng lớn lên tới hàng Mbyte Hai loại mạng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring, sử dụng các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX.
Mạng công ty là phần quan trọng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của các công ty sản xuất công nghiệp, có đặc điểm tương tự như mạng viễn thông hoặc mạng máy tính diện rộng về phạm vi và dịch vụ Chức năng chính của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng, cung cấp dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với khách hàng, bao gồm thư viện điện tử, email, hội thảo từ xa, truy cập Internet và thương mại điện tử Hình thức tổ chức và công nghệ mạng rất đa dạng, tùy thuộc vào mức đầu tư của công ty Trong nhiều trường hợp, mạng công ty và mạng xí nghiệp được triển khai trên một hệ thống mạng vật lý duy nhất, nhưng được phân chia thành các nhóm mạng làm việc riêng biệt.
Mạng công ty đóng vai trò quan trọng như một đường cao tốc trong hạ tầng truyền thông của doanh nghiệp, yêu cầu tốc độ truyền tải và độ an toàn, tin cậy cao Một số công nghệ tiên tiến như Fast Ethernet, FDDI và ATM đang được áp dụng hiện nay và sẽ tiếp tục trong tương lai.
TÌM HIỂU CÁC MẠNG TRUYỀN THÔNG CỦA SIEMENS
Truyền thông Modbus RTU
Modbus là giao thức được phát triển bởi hãng Modicon, hiện thuộc AEG và Schneider Automation Theo mô hình ISO/OSI, Modbus là chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, cho phép thực hiện trên nhiều cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP/IP, MAP (Manufacturing Message Protocol), Modbus Plus, và qua các kết nối nối tiếp như RS-232, RS-485.
Giao thức Modbus RTU là một giao thức mở, hoạt động trên các đường truyền RS-232 hoặc RS-485, theo mô hình Master-Slave Nó được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như hệ thống quản lý tòa nhà (BMS), tự động hóa công nghiệp và điện lực.
Giao thức Modbus RTU là một giao thức truyền thông nối tiếp hoạt động ở lớp ứng dụng trong mô hình OSI, yêu cầu lớp vật lý phía dưới để kết nối với các thiết bị khác Đường truyền vật lý chuẩn RS-232 và RS-485 được sử dụng cho giao thức này, trong đó RS-232 là một phương pháp truyền dẫn phổ biến.
RS-232 là một hình thức truyền dữ liệu nối tiếp, hay nói một cách đơn giản đó là một hình thức giao tiếp
RS-232 sử dụng phương thức truyền không đối xứng, với tín hiệu điện áp chênh lệch giữa dây dẫn và đất Mức điện áp dao động từ -15V đến 15V, trong đó khoảng từ 3V đến 15V đại diện cho giá trị logic 0, và khoảng từ -15V đến -3V đại diện cho giá trị logic 1.
Hình 2.1 Qui định trạng thái logic của tín hiệu RS-232
Trong phạm vi từ -3V đến 3V, không có định nghĩa rõ ràng cho các giá trị logic, do đó, khi thay đổi tín hiệu từ 0 lên 1 hoặc ngược lại, tín hiệu cần phải vượt qua khoảng quá độ trong thời gian ngắn hợp lý Tiêu chuẩn DIN 66259 phần 2 quy định rằng độ dốc tối thiểu của tín hiệu phải đạt 6V/ms hoặc 3% nhịp xung, tùy thuộc vào giá trị nào nhỏ hơn Điều này yêu cầu phải hạn chế điện dung của các thiết bị và đường truyền liên quan.
Tốc độ truyền dẫn tối đa của dây dẫn phụ thuộc vào chiều dài của nó, với hầu hết các hệ thống hiện tại chỉ hỗ trợ tốc độ tối đa 19.2kBd trong khoảng cách 30-50m Tuy nhiên, nhờ vào sự tiến bộ trong công nghệ vi mạch, tốc độ của các modem đã được cải thiện đáng kể so với mức 19.2kBd trước đây.
Bảng 2.1 Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-232
Thông số Điều kiện Tối thiểu Tối đa Điện áp đầu ra hở mạch 25V Điện áp đầu ra khi có tải 3kΩ ≤ RL ≤ 7kΩ 5V 15V
Trở kháng đầu ra khi cắt nguồn -2V ≤ VO ≤ 2V 300Ω
Dòng ra ngắn mạch 500mA Điện dung tải 2500pF
Trở kháng đầu vào 3V ≤ VI ≤ 25V 3kΩ 7kΩ
Ngưỡng cho giá trị logic 0 3V
Ngưỡng cho giá trị logic 1 -3V
Chuẩn EIA/TIA-232F quy định ba loại giắc cắm RS-232: DB-9 (chín chân), DB-25 (25 chân) và ALT-A (26 chân), trong đó DB-9 và DB-25 được sử dụng phổ biến hơn Đặc biệt, đầu DB-9 đã được chuẩn hóa riêng theo EIA/TIA-574 Dưới đây là mô tả ý nghĩa của các chân quan trọng trong các loại giắc cắm này.
− RxD (Receive Data): Đường nhận dữ liệu
− TxD (Transmit Data): Đường gửi dữ liệu
Chân DTR (Data Terminal Ready) thường ở trạng thái ON khi thiết bị đầu cuối sẵn sàng thiết lập kênh truyền thông Khi DTR được giữ ở trạng thái ON, thiết bị đầu cuối cho phép DCE của nó ở chế độ “tự trả lời” để chấp nhận các cuộc gọi không yêu cầu Ngược lại, mạch DTR sẽ ở trạng thái OFF khi thiết bị đầu cuối không muốn DCE chấp nhận cuộc gọi từ xa, tức là hoạt động ở chế độ cục bộ.
− DSR (Data Set Ready, DCE Ready): Cả hai modem chuyển mạch DSR sang
ON khi một đường truyền thông đã được thiết lập giữa hai bên
Chân DCD (Data Carrier Detect) đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát truy cập đường truyền Khi tín hiệu DCD ở trạng thái OFF, trạm nhận hiểu rằng trạm đối tác chưa gửi tín hiệu yêu cầu dữ liệu (chân RTS), cho phép nó có thể chiếm quyền kiểm soát đường truyền nếu cần Ngược lại, khi tín hiệu DCD ở trạng thái ON, điều này cho thấy bên đối tác đã gửi tín hiệu RTS và đã giành quyền kiểm soát đường truyền.
RTS (Request To Send) là tín hiệu kiểm soát chiều truyền dữ liệu, cho phép một trạm thông báo với modem của nó khi cần gửi dữ liệu Khi trạm muốn truyền thông tin, nó sẽ kích hoạt mạch RTS sang trạng thái ON, đồng thời tín hiệu này cũng được chuyển tiếp đến modem ở xa.
CTS (Clear To Send) là tín hiệu thông báo rằng modem đã sẵn sàng nhận dữ liệu từ trạm, đồng thời kiểm soát đường điện thoại để truyền dữ liệu đi xa Khi CTS chuyển sang trạng thái ON, điều này cho phép trạm biết rằng nó có thể bắt đầu gửi dữ liệu.
Khi modem nhận cuộc gọi, mạch RI (Ring Indicator) sẽ chuyển ON/OFF theo chuông điện thoại để thông báo cho trạm đầu cuối Tín hiệu này cho biết rằng một modem từ xa đang yêu cầu thiết lập kết nối dial-up.
Hệ thống RS-232 hoạt động theo chế độ hai chiều toàn phần (full-duplex), cho phép hai thiết bị truyền và nhận tín hiệu đồng thời Để thực hiện truyền thông, cần tối thiểu 3 dây dẫn: hai dây tín hiệu nối chéo giữa các đầu thu phát của hai trạm và một dây đất Với cấu hình tối thiểu này, trách nhiệm đảm bảo độ an toàn trong việc truyền dẫn tín hiệu thuộc về phần mềm.
Hình 2.4b minh họa ví dụ về ghép nối trực tiếp giữa hai thiết bị trong chế độ bắt tay mà không cần modem, sử dụng các dây dẫn DTR và DSR để đảm bảo an toàn giao tiếp Trong cấu hình này, các chân RTS và CTS được nối ngắn Cần lưu ý rằng cấu hình ghép nối sẽ có sự khác biệt khi truyền thông qua modem.
Hình 2.4 Một số ví dụ ghép nối với RS-232 b) Truyền dẫn với RS-485
RS-485 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn A và B, giúp giảm nhiễu và cho phép chiều dài dây dẫn lên tới 1200 mét mà không cần bộ lặp Điện áp chênh lệch dương tương ứng với trạng thái logic 0, trong khi điện áp âm tương ứng với trạng thái logic 1 Đầu vào bên nhận có thể chịu điện áp chênh lệch thấp tới 200mV, với ngưỡng VCM được mở rộng từ -7V đến 12V Các thông số quan trọng của RS-485 được tóm tắt trong bảng 2.2.
Bảng 2.2 Các thông số quan trọng của RS-485
Thông số Điều kiện Điều kiện Tối đa Điện áp đầu ra hở mạch ±1,5V ±6V Điện áp đầu ra khi có tải RLOAD = 54Ω ±1,5 V ±5V
Dòng ra ngắn mạch ±250mA
Thời gian quá độ đầu ra RLOAD = 54Ω
30% TB* Điện áp chế độ chung đầu ra VOC
RLOAD = 54Ω -1V 3V Độ nhạy cảm đầu vào -7V ≤ VCM ≤ 12V ±200mV Điện áp chế độ chung
Truyền thông Profibus
PROFIBUS (Process Field Bus) là một hệ thống bus trường được phát triển tại Đức từ năm 1987 thông qua sự hợp tác của 21 công ty và cơ quan nghiên cứu Sau khi được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn quốc gia DIN 19245, PROFIBUS đã trở thành tiêu chuẩn châu Âu EN 50.
Vào năm 1996, tiêu chuẩn PROFIBUS đã được thiết lập và được công nhận theo chuẩn quốc tế IEC 61158 vào cuối năm 1999 Ngoài ra, PROFIBUS cũng đã được đưa vào chuẩn IEC 61784 Với những phát triển mới gần đây, PROFIBUS không chỉ đơn thuần là một hệ thống truyền thông mà còn được xem là một công nghệ tự động hóa tiên tiến.
PROFIBUS là một giao thức kết nối hiệu quả giữa các bộ điều khiển và hệ thống điều khiển với các thiết bị phân tán như cảm biến, thiết bị thực thi và bộ truyền động ở cấp fieldbus Nó cũng hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu nhất quán với các hệ thống truyền thông cấp cao hơn.
2.2.1 Chuẩn vật lý a) Truyền dẫn với RS-485:
Chuẩn PROFIBUS theo IEC 61158 quy định các đặc tính điện học và cơ học của giao diện RS-485, cùng với môi trường truyền thông, giúp các ứng dụng lựa chọn thông số phù hợp Các đặc tính điện học này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống truyền thông.
− Tốc độ truyền thông từ 9,6 kbit/s đến 12 Mbit/s
Cấu trúc đường thẳng kiểu đường trục hoặc đường nhánh (trunk-line/drop-line) và daisy-chain yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu tối thiểu là 1,5 Mbit/s.
− Cáp truyền được sử dụng là đôi dây xoắn có bảo vệ (STP) Hiệp hội PI khuyến cáo dùng cáp loại A
− Trở kết thúc có dạng tin cậy (fail-safe biasing) với các điện trở lần lượt là 390Ω-220Ω-390Ω
Chiều dài tối đa của một đoạn mạng dao động từ 100m đến 1200m, tùy thuộc vào tốc độ truyền được lựa chọn Mối quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài tối đa của đoạn mạng được thể hiện rõ trong bảng 2.4.
− Số lượng tối đa các trạm trong mỗi mạng là 32 Có thể dùng tối đa 9 bộ lặp tức 10 đoạn mạng Tổng số trạm tối đa trong một mạng là 126
− Chế độ truyền tải không đồng bộ và hai chiều không đồng thời
− Phương pháp mã hóa bit NRZ
Bảng 2.4 Chiều dài tối đa của một đoạn mạng PROFIBUS (cáp STP loại A)
Giao diện cơ học cho các bộ nối thường sử dụng loại D-sub 9 chân với cấp bảo vệ IP20 Đối với những yêu cầu cần cấp bảo vệ cao hơn như IP65/67, có thể lựa chọn các loại khác phù hợp.
− Bộ nối tròn M12 theo chuẩn IEC 947-5-2
− Bộ nối Han-Brid theo khuyến cáo của DENISA
Bộ nối Hibrid của Siemens, với đầu nối HAN-BRID, cho phép truyền dữ liệu qua cáp quang và cung cấp điện áp nguồn 24V cho các thiết bị ngoại vi thông qua cáp đồng.
− Đầu nối M12 cho RS 485 -cấp bảo vệ IP 65/67 sơ đồ chân: 1: VP, 2:
RxD/TxD-N, 3: DGND, 4: RxD/TxD, 5: vỏ bọc
Đầu nối Han-Brid kiểu Cu-Fo được thiết kế để truyền dữ liệu qua cáp quang và cung cấp điện áp 24V cho các thiết bị ngoại vi Ngoài ra, đầu nối này cũng có phiên bản Cu-Cu.
− Đầu nối Siemens-Hybrid, truyền điện áp cung cấp 24 V dữ liệu PROFIBUS qua cáp đồng cho các thiết bị với cấp bảo vệ IP 65
Hình 2.12 Đầu nối kiểu Siemens-Hibrid
Khi kết nối tới trạm, cần đảm bảo rằng các đường dữ liệu không bị đảo ngược và sử dụng dây dẫn có bọc để bảo vệ hệ thống khỏi ảnh hưởng từ trường Vỏ bọc dây dẫn phải được nối với PE ở cả hai phía, và dây dữ liệu cần được đặt cách xa cáp điện áp cao Đối với tốc độ truyền >= 1,5 Mbit/s, không nên sử dụng đường nhánh cụt Hiện nay, có các đầu nối dạng cắm cho phép kết nối trực tiếp cáp dữ liệu vào và ra, giúp loại bỏ việc sử dụng đường nhánh cụt và cho phép cắm hoặc tháo đầu nối BUS mà không ảnh hưởng đến quá trình truyền dữ liệu.
Hơn 90% vấn đề trong mạng PROFIBUS xuất phát từ việc nối dây và lắp đặt không chính xác Để khắc phục những vấn đề này, thiết bị BUS-tester có thể được sử dụng, giúp phát hiện nhiều lỗi nối dây điển hình trước khi hệ thống hoạt động.
Truyền dẫn với RS-485IS:
RS-485 có ưu điểm nổi bật là cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao, đặc biệt phù hợp cho môi trường an toàn cháy nổ Phiên bản RS-485IS (IS: Intrinsically Safe) được tổ chức PNO thiết lập các chỉ dẫn và quy định nghiêm ngặt về mức điện áp và dòng tiêu thụ cho các thiết bị, nhằm hỗ trợ các nhà cung cấp Khác với mô hình FISCO, chỉ cho phép một nguồn tích cực an toàn duy nhất, RS-485IS cho phép mỗi trạm hoạt động như một nguồn tích cực riêng biệt Tuy nhiên, khi kết nối tất cả các nguồn tích cực, tổng dòng của tất cả các trạm không được vượt quá giá trị tối đa quy định.
21 cho phép Các thử nghiệm cho thấy cũng có thể ghép nối tối đa 32 trạm trong một đoạn mạng RS-485IS
Truyền dẫn với cáp quang:
Cáp quang là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong môi trường làm việc có nhiễu mạnh hoặc cần phạm vi phủ sóng rộng Các loại cáp quang phù hợp có thể được sử dụng trong những trường hợp này.
− Sợi thủy tinh đa chế độ với khoảng cách truyền tối đa 2-3km và sợi thủy tinh đơn chế độ với khoảng cách truyền có thể trên 15km
− Sợi chất dẻo với chiều dài tối đa 80m và sợi HCS với chiều dài tối đa 500m
Cáp quang có đặc điểm liên kết điểm-điểm, do đó cấu trúc mạng thường chỉ có thể là hình sao hoặc mạch vòng Tuy nhiên, trong thực tế, cáp quang thường được kết hợp với RS-485, dẫn đến cấu trúc mạng trở nên phức tạp hơn.
Kỹ thuật truyền dẫn MBP (Manchester Coded, Bus-Powered) được phát triển theo chuẩn IEC 1158-2 cũ, nhằm phục vụ cho các ứng dụng điều khiển trong ngành công nghiệp chế biến như lọc dầu và hóa chất, nơi có yêu cầu cao về an toàn cháy nổ và cung cấp năng lượng cho thiết bị Chuẩn IEC 61158-2 mới đã quy định nhiều kỹ thuật truyền dẫn khác nhau, bao gồm cả MBP, do đó tên gọi mới được áp dụng để tránh sự nhầm lẫn.
Truyền thông Profinet
Profinet (viết tắt của Process Field Net) là một tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp cho việc truyền dữ liệu qua Ethernet công nghiệp Nó dựa trên nền tảng Ethernet và sử dụng chuẩn TCP/IP cùng với các giao thức đặc biệt để tối ưu hóa hiệu suất thời gian thực PROFINET cho phép tích hợp các hệ thống Fieldbus như Profibus, DeviceNet và Interbus mà không cần thay đổi thiết bị hiện có.
2.3.1 Chuẩn vật lý a) Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn
Profinet cung cấp sự linh hoạt trong việc thiết lập cấu trúc hệ thống mạng, với năm kiểu cấu trúc phổ biến là Line, Star, Ring, Tree và Wireless.
Profinet sử dụng 2 loại cáp thông dụng nhất cùng các đặc tính được liệt kê trong bảng 2.9
Bảng 2.9 Một số loại cáp truyền Profinet thông dụng
Tên hiệu Loại cáp Chiều dài đoạn tối đa
100BASE-TX Đôi dây xoắn hạng 5 100 m
100BASE-TX sử dụng cặp dây xoắn hạng 5 hoạt động ở tần số 125MHz, cho phép truyền dữ liệu hai chiều đồng thời nhờ vào việc sử dụng hai cặp dây Phương pháp mã hóa 4B5B được áp dụng, trong đó dãy bit từ khung MAC được mã hóa thành các tổ hợp 5 bit, với 16 trong 32 tổ hợp biểu diễn dữ liệu Kết nối mạng có thể thực hiện qua bộ chia hoặc bộ chuyển mạch; bộ chuyển mạch tuy có chi phí cao hơn nhưng nâng cao hiệu suất hệ thống nhờ khả năng phân vùng xung đột 100BASE-FX cũng hỗ trợ truyền hai chiều toàn phần bằng cách sử dụng hai sợi quang đa chế độ, là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu khoảng cách truyền xa và khả năng kháng nhiễu cao.
Truyền thông Profinet sử dụng cổng RJ45 làm giao diện cơ học
Dây mạng RJ45 có cấu tạo chung là 8 dây nhỏ với 4 cặp màu như sau:
− Xanh lá / Xanh lá trắng
− Xanh dương / Xanh dương trắng
2.3.2 Giao thức a) Cấu trúc bức điện
Tiêu chuẩn IEEE 802.3/Ethernet chỉ quy định lớp MAC và lớp vật lý, do đó một bức điện trong mạng Ethernet được gọi là khung MAC Cấu trúc của khung MAC được thể hiện rõ trong hình 2.19.
Hình 2.19 Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3
Khung MAC bắt đầu với 56 bit 0 và 1 luân phiên, tạo thành 7 byte giống nhau với giá trị 55H Sử dụng mã Manchester, tín hiệu sẽ có dạng tuần hoàn, giúp bên nhận đồng bộ nhịp với bên gửi Việc đồng bộ hóa chỉ cần thực hiện một lần cho toàn bộ bức điện, và ở tốc độ truyền 10 Mbit/s, thời gian đồng bộ hóa là 5,6μs Sau đó, một byte SFD (Start of Frame Delimiter) sẽ được gửi, chứa dãy bit cần thiết.
10101011, đánh dấu khởi đầu khung MAC Đúng ra, dãy bít mở đầu và byte SFD không thực sự thuộc vào khung MAC
Theo tiêu chuẩn 802.3, địa chỉ đích và địa chỉ nguồn có thể có độ dài 2 hoặc 6 byte, nhưng chuẩn 10 Mbit/s (10BASEx) chỉ sử dụng địa chỉ 6 byte Bit cao nhất trong địa chỉ đích có giá trị 0 cho địa chỉ thông thường và 1 cho địa chỉ nhóm Đối với các thông báo gửi đến tất cả các trạm (broadcast), tất cả các bit trong địa chỉ đích sẽ được thiết lập thành 1.
Một trong những vấn đề lớn trong việc sử dụng Ethernet ở cấp trường là phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên CSMA/CD, ảnh hưởng đến hiệu suất và tính năng thời gian thực của hệ thống Thuật toán tính thời gian chờ truy nhập lại cho các trạm khi xảy ra xung đột là yếu tố quyết định quan trọng đối với hiệu suất của hệ thống.
Khe thời gian là khoảng thời gian lan truyền tín hiệu một lần qua lại trên đường truyền, được tính cho tối đa 2,5km và bốn bộ lặp, tương đương với 512 thời gian bit hay 51,2 μs Sau xung đột đầu tiên, mỗi trạm sẽ chọn ngẫu nhiên từ 0 đến 1 khe thời gian chờ trước khi thử gửi lại Nếu hai trạm cùng chọn khoảng thời gian giống nhau hoặc có xung đột với một trạm thứ ba, số khe thời gian chờ có thể là 0, 1, 2 hoặc 3 Sau lần xung đột thứ i, số khe thời gian chọn ngẫu nhiên sẽ nằm trong khoảng từ 0 đến 2^i - 1, nhưng tối đa sẽ giữ ở con số 1023 sau mười lần xung đột Nếu có 16 lần xung đột liên tiếp, các trạm sẽ coi đây là lỗi hệ thống và báo về lớp giao thức phía trên Thuật toán này được biết đến với tên gọi Binary Exponential Backoff (BEB).
33 c) Kiến trúc giao thức TCP/IP
TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) là một bộ giao thức được phát triển từ nghiên cứu trên mạng Arpanet do ARPA (Advanced Research Projects Agency) của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ tài trợ Giao thức TCP/IP đã trở thành tiêu chuẩn cho Internet và hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm mạng máy tính cục bộ và mạng truyền thông công nghiệp.
TCP và IP là hai giao thức riêng biệt trong lĩnh vực truyền thông, tương ứng với lớp vận chuyển và lớp mạng trong mô hình OSI Tuy nhiên, thuật ngữ TCP/IP cũng được sử dụng để chỉ một mô hình truyền thông đã xuất hiện trước khi chuẩn OSI ra đời.
TCP và IP là hai chuẩn giao thức truyền thông riêng biệt, tương ứng với lớp vận chuyển và lớp mạng trong mô hình OSI Tuy nhiên, thuật ngữ TCP/IP cũng được sử dụng để chỉ một mô hình truyền thông đã xuất hiện trước khi có chuẩn OSI.
Cơ chế bảo đảm dữ liệu được vận chuyển một cách tin cậy không phụ thuộc vào đặc tính của các ứng dụng sử dụng dữ liệu, do đó được sắp xếp vào một lớp độc lập gọi là lớp vận chuyển Giao thức TCP là tiêu biểu và phổ biến nhất cho chức năng này, hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối.
Giao thức UDP (User Data Protocol) là một phần quan trọng trong lớp vận chuyển, bên cạnh TCP Khác với TCP, UDP cung cấp dịch vụ không có kết nối, cho phép gửi dữ liệu mà không đảm bảo đến đích một cách tuyệt đối hoặc theo thứ tự Mặc dù vậy, UDP nổi bật với tính đơn giản và hiệu suất cao, chỉ yêu cầu cơ chế xử lý giao thức tối thiểu Do đó, UDP thường được sử dụng làm nền tảng cho các giao thức cao cấp tùy chỉnh, chẳng hạn như giao thức SNMP.
Lớp Internet, tương tự như lớp mạng trong mô hình OSI, có nhiệm vụ chuyển giao dữ liệu giữa các mạng liên kết Giao thức IP, như tên gọi của nó, hoạt động tại lớp này không chỉ trên các thiết bị đầu cuối mà còn trên các bộ router Router là thiết bị xử lý giao thức, có chức năng kết nối hai mạng và chuyển giao dữ liệu giữa chúng, đồng thời tìm kiếm đường đi tối ưu cho dữ liệu.
Lớp truy nhập mạng chịu trách nhiệm về việc trao đổi dữ liệu giữa hai thiết bị trong cùng một mạng Chức năng của lớp này bao gồm kiểm soát truy cập môi trường truyền dẫn, phát hiện lỗi và quản lý lưu thông dữ liệu, tương tự như lớp liên kết dữ liệu trong mô hình OSI.
PLC SIEMENS VÀ CÁC GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG
PLC S7-1200 và các giao thức truyền thông
PLC S7-1200 là bộ điều khiển linh hoạt và mạnh mẽ, lý tưởng cho việc kiểm soát nhiều thiết bị trong tự động hóa Với thiết kế nhỏ gọn và cấu hình linh hoạt, S7-1200 cung cấp giải pháp hoàn hảo cho nhiều ứng dụng khác nhau.
CPU là một bộ điều khiển mạnh mẽ, bao gồm bộ vi xử lý, bộ nguồn tích hợp, cổng input và output, cổng kết nối PROFINET, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào analog Sau khi tải chương trình, CPU thực hiện logic để kiểm soát và giám sát thiết bị theo yêu cầu, đọc giá trị đầu vào và điều chỉnh giá trị đầu ra dựa trên các phép toán cơ bản, PID, bộ đếm, thời gian, và giao tiếp với thiết bị thông minh khác.
S7-1214 được trang bị các tính năng bảo mật nâng cao, bảo vệ quyền truy cập vào CPU và chương trình điều khiển, bao gồm bảo vệ bằng mật khẩu chống truy cập vào PLC và tính năng "know-how protection" để bảo vệ các block đặc biệt Thiết bị này còn tích hợp cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP, cùng với khả năng kết nối thông qua các module truyền thông mở rộng sử dụng RS485 hoặc RS232.
Phần mềm Step7 Basic được sử dụng để lập trình cho S7-1214, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal của Siemens, giúp tối ưu hóa quy trình lập trình và quản lý thiết bị.
Hình 3.1 Hình dáng bên ngoài S7-1214 và các module mở rộng
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật CPU S7-1200 1214C
Kích thước vật lý (mm)
Vào ra tích hợp trên CPU
10 đầu ra Tương tự 2 đầu vào
Vùng nhớ ảnh vào ra Đầu vào 1024 bytes Đầu ra 1024 bytes
Mở rộng module vào ra
Mạch tín hiệu, mạch pin, mạch truyền thông
Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC
Để điều khiển tốc độ khuấy trong hệ thống, ta sử dụng tần số biến tần V20 Siemens Có hai phương pháp chính để điều chỉnh tần số cho biến tần này.
− Dùng tín hiệu analog khi đó sẽ cần thêm module analog của PLC
− Dùng module truyền thông điều khiển biến tần qua Modbus
Giá thành của module analog thường cao hơn so với module truyền thông RS485 Tuy nhiên, module RS485 lại mang lại sự thuận tiện hơn khi mở rộng hệ thống, cho phép kết nối nhiều thiết bị dễ dàng hơn so với module analog.
Thông số kỹ thuật module CM 1241 (RS422/485):
− Điện áp nguồn cấp: 24 V DC
− Nhiệt độ hoạt động tối đa: 60°C
− Nhiệt độ hoạt động tối thiểu: -20°C
− Giao thức truyền thông: Modbus, 3964 (R), Freeport
3.1.2 Truyền thông Modbus S7-1200 với một số thiết bị trường a) Biến tần V20 – Siemens
Hiện nay, máy công cụ ngày càng trở nên phổ biến trong sản xuất tại các nhà máy, yêu cầu giải pháp truyền động đơn giản, tiết kiệm năng lượng và chi phí thấp Siemens đã giới thiệu dòng sản phẩm SINAMICS V20, một biến tần cơ bản nhằm đáp ứng những yêu cầu này.
Biến tần SINAMICS V20 có kích thước nhỏ gọn với tầm công suất từ
0.12kW đến 15kW hỗ trợ điện lưới 1 pha 220V và 3 pha 380V Giao tiếp với người sử dụng một cách thân thiện, dễ dàng với màn hình tích hợp trên biến tần Điều khiển động cơ theo dạng V/f tuyến tính và V/f bình phương Ngoài ra biến tần này còn tích hợp module truyền thông theo chuần USS và Modbus RTU nên dễ dàng tích hợp vào hệ thống điều khiển một cách linh hoạt
Hình 3.3 Hệ thống điều khiển biến tần SINAMICS V20
Tổng quát sơ đồ kết nối hệ thống biến tần SINAMICS V20:
Hình 3.4 Sơ đồ kết nối hệ thống biến tần SINAMICS V20
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật biến tần SINAMICS V20
Dải điện áp 1AC 230V: 1AC 200V…240V (-10% +10%) Điện áp đầu ra lớn nhất 100% điện áp đầu vào
Dải công suất 1AC 230 V 0.12 … 3.0 kW (1/6 … 4 hp)
Khả năng quá tải 150% dòng điện ra định mức trong 60s, chu kỳ 600s Tần số ra 0….500Hz độ phân giải 0.01 Hz
Chế độ điều khiển V/f: tuyến tính, bình phương, đa điểm
Chế độ điều khiển dòng từ thông FCC
Sơ đồ đấu dây chi tiết:
Hình 3.5 Sơ đồ đấu dây của SINAMICS V20
Bảng 3.3 Tên và chức các chân điều khiển của biến tần SINAMICS V20
Chức năng Chân điều khiển Mô tả
Nguồn 10V 10V Cung cấp điện áp ra 10V (± 5%) 11mA
AI1 Kênh analog ngõ vào 1, hỗ trợ analog giá trị -10Vđến +10V, 0mA đến 20mA
AI2 Kênh analog ngõ vào 2, hỗ trợ analog giá trị 0Vđến +10V, 0mA đến 20mA
AO1 Kênh Analog ngõ ra, hỗ trợ analog giá trị 0mA đến 20mA
Chân 0V 0V Chân 0V dùng cho kênh analog và truyền thông RS485
Ngõ vào số DI1 3 Chân Digital ngõ vào, hỗ trợ kết nối dạng Source và Sink
4 Hoạt động ở điện trong dãi điện áp 0V-30V
5.Điện áp >11V là mức 1, điện áp 3s Tắt động cơ khẩn cấp theo OFF2 ở chế độ Hand Chạy động cơ ở chế độ Hand
Dùng để truy cập và thay đổi giá trị các thông số của biến tần
Chuyển giữa các chế độ Hand, Auto,
Tăng giá trị setpoint ở chế độ Hand, tăng giá trị parameter cần cài đặt
Giảm giá trị setpoint ở chế độ Hand, Giảm giá trị parameter cần cài đặt Đảo chiều động cơ ở chế độ Hand Ý nghĩa các biểu tượng trạng thái:
Bảng 3.5 Ý nghĩa các biểu tượng trạng thái trên màn hình điều khiển BOP
Biến đang bị lỗi Biến tần hiện cảnh báo
Hiện luôn động cơ đang chạy nhấp nháy Biến tần đang ở chế độ bảo vệ Biến tần đang ở chế độ bảo vệ
Hiện luôn Biến tần đang ở chế độ Hand Nhấp nháy Biến tần đang ở chế độ Jog Ý nghĩa các đèn led:
Bảng 3.6 Ý nghĩa đèn led trên màn hình điều khiển BOP
Sáng vàng Đang cấp nguồn
Biến tần có đèn sáng xanh khi ở trạng thái sẵn sàng Nếu đèn nháy xanh với tần số 0.5Hz, biến tần đang ở chế độ cài đặt Đèn nháy đỏ 2Hz cho biết biến tần đang gặp lỗi Khi đèn nháy cam 1Hz, biến tần đang trong quá trình sao chép dữ liệu.
Cấu trúc tổng quan menu parameter
Menu các thông số của biến tần được chia làm 3 mục lớn là:
Menu Setup cho phép cài đặt thông số động cơ, chức năng IO và ứng dụng một cách nhanh chóng Menu này giúp người dùng dễ dàng thiết lập biến tần bằng cách liệt kê các thông số thông dụng, tối ưu hóa quá trình cài đặt.
− Display Menu: hiển thị các giá trị trạng thái của động cơ như tần số ngõ ra, điện áp ngõ ra, dòng điện ngõ ra, điện áp DC, setpoint
− Parameter Menu: dung để cài đặt và xem tất cả các thông số của biến tần (kể cả những thông số mà Setup Menu không hỗ trợ)
Hình 3.7 Cấu trúc tổng quan menu parameter của SINAMICS V20
Cài đặt thông số SINAMICS V20:
− Dải công suất: 0.12kW – 22kW
− Cấp điện áp 1 pha: 200-240 VAC (-10%/+10%)
− Cấp điện áp 3 pha: 380-480 VAC (-15%/+10%)
− Chế độ điều khiển: V/f hoặc V/f bình phương
− Tần số điều chế: 4kHz (lên đến 16kHz)
− Giao tiếp truyền thông: Modbus RTU, USS
Để điều khiển biến tần qua Modbus RTU, cần thiết lập các thông số của động cơ, thông số liên quan đến truyền thông và các thanh ghi phục vụ cho việc truyền thông.
Bảng 3.7 Thông số động cơ (motor data)
Thông số Ý nghĩa và giá trị
Chọn chuẩn đơn vị và tần số hoạt động của biến tần:
- 2: đơn vị Kw, 60Hz P0304 Điện áp định mức của động cơ (V)
P0305 Dòng điện định mức của động cơ (A)
P0307 Công suất định mức của động cơ
(đơn vị Kw khi P0100 = 0 hoặc 2, đơn vị HP khi P0100 = 1) P0308 Hệ số cos φ của động cơ (chỉ hiện ra khi P0100 = 0 hoặc 2)
P0309 Hiệu suất của động cơ (chỉ hiện ra khi P0100 = 1)
Nên đặt giá trị 0 để biến tần tự tính toán nội bộ P0310 Tần số định mức của động cơ (Hz)
P0311 Tốc độ định mức của động cơ (RPM)
- 0: không nhận dạng động cơ
- 2: nhận dạng động cơ ở trạng thái đứng yên
Tiếp theo chọn đến thông số Connection Macro: Chọn Macro 11 (Cn0011) để điều khiển biến tần thông qua truyền thông Modbus RTU
Hình 3.8 Kết nối theo Macro Cn11
Các thông số trong Macro:
Bảng 3.8 Thông số trong Macro Cn11
Bài viết này trình bày các thông số kỹ thuật quan trọng liên quan đến hệ thống điều khiển từ xa qua giao thức RS485 USS và MODBUS RTU Thông số P0700 chỉ ra rằng nguồn điều khiển được chọn từ RS485 USS, trong khi P1000 xác định nguồn Setpoint từ cùng nguồn này Giao thức MODBUS RTU được lựa chọn qua thông số P2023, với tốc độ baudrate 9600 bps theo P2010 Địa chỉ USS của biến tần được xác định bởi P2021, và thời gian chờ phản hồi là 1000 ms theo P2022 Thông số P2014 quy định thời gian nhận dữ liệu là 100 ms, trong khi P2034 kiểm tra tính chẵn/lẻ trong Modbus Cuối cùng, P2035 chỉ ra số bit stop được sử dụng trong giao tiếp.
Các thanh ghi liên quan đến truyền thông Modbus RTU:
Bảng 3.9 Các giá trị thanh ghi dùng cho SINAMICS V20
Thanh ghi Giá trị Ý nghĩa
16#047E Dừng biến tần 16#047F Cho phép động cơ quay theo chiều thuận 16#0C7F Cho phép động cơ quay theo chiều nghịch HSW 16#4000H = 50Hz Tần số đặt tỉ lệ giá trị của 4000H
− STW (Control Word): Địa chỉ Modbus 40100 Dùng để điều khiển hoạt động biến tần
− HSW (Speed Control): Địa chỉ Modbus 40101 Dùng để đặt tốc độ cho biến tần
− ZSW (Status Word): Địa chỉ Modbus 40110 Dùng để phản hồi các trạng thái của biến tần
− HIW (Actual Speed): Địa chỉ Modbus 40111 Dùng để phản hồi tốc độ thực của động cơ
Cuối cùng ta cần dùng 2 khối lệnh để truyền thông từ PLC xuống biến tần SINAMICS V20:
− Khối lệnh MB_Comm_Load Để lấy được khối lệnh ra, ta truy cập theo đường dẫn sau: Instructions
→ Communication→ CommunicationProcessor → MODBUS → MB_Comm_Load
Hình 3.9 Khối lệnh MB_COMM_LOAD
Tham số của khối lệnh MB_Comm_Load mô tả trong bảng 3.10:
Bảng 3.10 Tham số của khối lệnh MB_Comm_Load
Tham số Khai báo Kiểu dữ liệu Miêu tả
REQ IN Bool Bắt đầu truyền dữ liệu bằng tín hiệu xung cạnh lên
The PORT parameter, defined by the HW identifier, is specified as an unsigned integer (UInt) The BAUD parameter, represented as an unsigned double integer (UDInt), allows users to select the data transmission speed Additionally, the PARITY parameter, indicated as an unsigned integer (UInt), enables the selection of even or odd parity status.
MB_DB IN/OUT MB_BASE Tham chiếu đến khối dữ liệu của modbus master hoặc slave
DONE OUT Bool TRUE sau một chu kỳ nếu không có lỗi
ERROR OUT Bool TRUE sau một chu kỳ nếu bị lỗi
STATUS OUT Word Bảng mã lỗi
− Khối lệnh MB_MASTER Để lấy được khối lệnh ra, chúng ta cũng truy nhập theo đường dẫn sau:
Instructions → Communication → Communication Processor → MODBUS
Hình 3.10 Khối lệnh MB_MASTER
Các tham số của khối lệnh MB_MASTER được mô tả ở bảng 3.11:
Bảng 3.11 Tham số của khối lệnh MB_MASTER
Tham số Khai báo Kiểu dữ liệu Miêu tả
REQ IN Bool False: không có yêu cầu
True: Yêu cầu gửi dữ liệu tới slave MB_ADDR IN UInt Chọn địa chỉ Slave kết nối
MODE IN USInt Lựa chọn chế độ đọc/ghi
R IN UDInt Địa chỉ bắt đầu thanh ghi của slave
DATA_LEN IN UInt Độ dài dữ liệu
DATA_PTR IN/OUT Variant Chỉ định tới vùng nhớ để thực hiện truy xuất dữ liệu với slave
DONE OUT Bool TRUE sau một chu kỳ nếu không có lỗi
BUSY OUT Bool False: lệnh không kích hoạt
True: Lệnh đang thực hiện
ERROR OUT Bool TRUE sau một chu kỳ nếu bị lỗi
STATUS OUT Word Bảng mã lỗi b) Biến tần V1000 – Yaskawa
Biến tần Yaskawa V1000 là dòng sản phẩm điều khiển vector tiên tiến, được thiết kế theo tiêu chuẩn mới nhất Với hiệu suất và khả năng vận hành cao trong môi trường công nghiệp, biến tần V1000 mang lại chất lượng vượt trội, đặc tính kỹ thuật cao và khả năng điều khiển đa dạng, đáp ứng tốt các yêu cầu khắt khe của người sử dụng.
Hình 3.12 Màn hình điều khiển của Yaskawa V1000 Bảng 3.12 Các phím và chức năng của màn hình điều khiển Yaskawa V1000
1 Hiển thị dữ liệu Hiển thị các cài đặt, thông số
2 Nút ESC Quay lại giao diện điều khiển trước
3 Nút RESET Reset lỗi và di chuyển cài đặt dữ liệu
4 Nút RUN Nhấn chạy động cơ Đèn RUN sáng
5 Nút Tăng Di chuyển chức năng và tăng giá trị cài đặt
6 Nút Giảm Di chuyển chức năng và giảm giá trị cài đặt
7 Nút STOP Ngừng hoạt động của động cơ
8 Nút ENTER Xác nhận thông số cài đặt
9 Nút LO/RE Chọn chế độ LO/RE
10 Đèn báo của nút RUN Sáng khi động cơ chạy
11 Đèn báo của nút LO/RE Sáng khi ở chế độ LO/RE
12 Led ALARM Led hiển thị cảnh báo
13 Led REV Hiển thị chiều quay ngược
14 Led DRV Led điều khiển
15 Led FOUT Giám sát tần số ngõ ra
16 Cổng truyền thông Cổng được sử dụng cho Thiết bị sao chép
USB để kết nối với PC
Bảng 3.13 Thông số kỹ thuật biến tần Yaskawa V1000
Nguồn cấp 3 Pha: 380 to 480VAC,50/60 Hz ,4.3A/3.2A
200 %/0.5 Hz (giả định tải nặng của động cơ là 3.7kW hoặc ít hơn sử dụng phương pháp điều khiển véc tơ vòng hở)
50 % / 6 Hz (giả định phương pháp điều khiển véc tơ vòng hở)
Tải thường 120% trong 60 giây, tải nặng 150% trong 60 giây
Phanh hãm Biến tần Yaskawa V1000 tích hợp sẵn mạch điều khiển hãm động năng giúp dừng nhanh khi kết hợp với điện trở hãm
V/f, vector vòng hở, vector vòng hở cho động cơ đồng bộ, vector vòng kín cho động cơ đồng bộ
Ngõ vào Ngõ vào số đa chức năng, ngõ vào tần số tham chiếu, ngõ vào an toàn
Ngõ ra Ngõ ra cách ly quang đa chức năng, báo lỗi relay, ngõ ra số đa chức năng, ngõ ra giám sát, ngõ ra giám sát an toàn
Chức năng bảo vệ Động cơ, quá dòng tức thời, quá tải, quá áp, thấp áp, mất áp, quá nhiệt, quá nhiệt điện trở phanh, ngăn chặn sụt
Truyền thông Hỗ trợ các chuẩn truyền thông RS422/RS485 (mặc định),
PROFIBUS - DP, DeviceNet, CC- Link, CompoNet, CANopen, LONWORKS, MECHATROLINK -2, MECHATROLINK-3
Màn hình vận hành LCD, cuộn kháng xoay chiều, cuộn kháng một chiều, bộ phanh, điện trở phanh, lọc nhiễu
Card tham chiếu tốc độ, card truyền thông, card giám sát, card điều khiển tốc độ máy phát
Cấp bảo vệ IP20, NEMA1
Hình 3.13 Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển của Yaskawa V1000
Bảng 3.14 Thông số các đầu vào của biến tần Yaskawa V1000
Chân điều khiển Chức năng Mô tả Đầu vào số đa chức năng
Phần tử quang 24VDC, 8mA
S2 Chạy ngược / Dừng S3 Lỗi bên ngoài
SC Đầu vào chung Đầu vào vô hiệu hóa an toàn
HC Cung cấp nguồn cho đầu vào vô hiệu hóa an toàn
H1 Vô hiệu hóa đầu vào Mở: Đầu ra bị vô hiệu hóa Đã đóng: Hoạt động bình thường Đầu vào tham chiếu tần số chính
RP Đầu vào chuỗi xung đa chức năng (tham chiếu tần số)
Tần số đáp ứng: 0,5 đến 32 kHz
+V Cung cấp nguồn đầu vào tương tự
A1 Đầu vào tương tự đa chức năng 1 (tham chiếu tần số) Điện áp đầu vào 0 đến +10 VDC (20 kΩ)
A2 Đầu vào tương tự đa chức năng 2 (tham chiếu tần số) Điện áp đầu vào hoặc dòng điện đầu vào
AC Tần số tham chiếu chung
Bảng 3.15 Thông số các đầu ra của biến tần Yaskawa V1000
Chức năng Mô tả Đầu ra số đa chức năng
MA Đầu ra thường mở Đầu ra kỹ thuật số 30VDC, 10 mA đến 1 A; 250 VAA, 10 mA đến 1 A
Tải tối thiểu: 5 Vdc, 10 mA (giá trị tham chiếu)
MB Đầu ra thường đóng
MC Đầu ra số chung Đầu ra bộ ghép đa năng
P1 Đầu ra 1 Đầu ra của bộ ghép quang 48 VDC, 2 đến 50 mA
PC Đầu ra chung Đầu ra giám sát
MP Tần số đầu ra Tối đa 32kHz
AM Đầu ra giám sát tương tự
Bảng 3.16 Thông số các chân truyền thông của Yaskawa V1000
Tên tín hiệu Mô tả
Sử dụng cáp RS422 hoặc RS485
Cài đặt thông số động cơ và điều khiển
Chúng ta sẽ cài đặt kiểu điều khiển và thông số động cơ theonhững thông số được mô tả dưới bảng sau đây:
Bảng 3.17 Thông số kiểu điều khiển và thông số động cơ
Thông số Ý nghĩa chức năng
A1-02 Lựa chọn phương pháp điều khiển
B1-01 Chọn lựa tham chiếu tần số
B1-02 Chọn lựa phương pháp hoạt động
2: Từ mạng truyền thông E1-01 Thiết lập điện áp vào
E1-03 Chọn đặc tính V/f f: Thiết lập đặc tuyến theo yêu cầu người sử dụng E1-04 Tần số ngõ ra max
E2-02 Hệ số trượt định mức
E2-11 Công suất ngõ ra định mức motor
Cài đặt các thông số liên quan tới truyền thông Modbus RTU được mô tả dưới đây:
Bảng 3.18 Các thông số của truyền thông biến tần Yaskawa V1000
Thông số Ý nghĩa chức năng
H5-01 Địa chỉ trạm điều khiển
H5-02 Chọn tốc độ truyền thông Modbus
H5-04 Chọn phương pháp dừng khi có lỗi truyền thông
H5-05 Lựa chọn có phát hiện lỗi truyền thông
H5-06 Thời gian chờ gửi tin
H5-09 Đặt thời gian yêu cầu đến khi phát hiện lỗi
H5-10 Lựa chọn đơn vị cho thanh ghi 0025H
H5-11 Chọn chức năng đăng nhập truyền thông
H5-12 Lựa chọn phương pháp lệnh RUN
Các giá trị thanh ghi dùng để phục vụ cho việc điều khiển biến tần qua truyền thông Modbus RTU gồm:
Thanh ghi 0001H cho phép điều khiển hoạt động và dừng biến tần, đồng thời quản lý chiều quay của nó, dựa trên giá trị được cài đặt trong thông số H5-12.
− Thanh ghi 0002H: Có chức năng ghi tốc độ đặt cho biến tần
− Thanh ghi 0024H: có chức năng biểu diễn tần số của biến tần
PLC S7-315 PN/DP và các truyền thông
Bảng 3.22 Giao diện điều khiển và đèn báo của CPU 315-2PN/DP
1 Chỉ trạng thái và báo lỗi
2 Khe cắm thẻ nhớ SIMATIC
4 Địa chỉ MAC và mã vạch 2D
7 Giao diện X2 (PN) với 2 công tắc
Trạng thái cổng PROFINET 2 được báo hiệu bằng đèn LED hai màu (xanh / vàng):
• Đèn LED sáng xanh: Liên kết với đối tác đang hoạt động
• Đèn LED chuyển sang màu vàng: lưu lượng dữ liệu hoạt động (RX / TX)
R: Cổng vòng để thiết lập cấu trúc liên kết vòng với dự phòng phương tiện
Trạng thái Cổng 1 được báo hiệu bằng đèn LED hai màu (xanh / vàng):
• Đèn LED sáng xanh: Liên kết với đối tác đang hoạt động
• Đèn LED chuyển sang màu vàng: lưu lượng dữ liệu hoạt động (RX / TX)
R: Cổng vòng để thiết lập cấu trúc liên kết vòng với dự phòng phương tiện
Bảng 3.23 Thông số kỹ thuật của CPU 315-2PN/DP
Bộ nhớ làm việc 384 kbyte Module mở rộng Tối đa 16384 địa chỉ Thời gian xử lý bit 50 ns
Cổng truyền thông 1MPI/DP và 1PN Khe cắm thẻ nhớ 8 Mbyte
Số lượng connection 16 Nhiệt độ hoạt động 0 ~ 60 0
3.2.2 Truyền thông Profinet PLC với PLC
Chúng ta sẽ thực hiện truyền thông Profinet giữa PLC S7-1214C và PLC S7-315 2PN/DP thông qua kết nối S7, sử dụng phần cứng cổng Ethernet Việc kết nối sẽ được thực hiện bằng các lệnh PUT và GET, chỉ cần khai báo dữ liệu tại PLC Local Các bước để thực hiện truyền thông sẽ được trình bày chi tiết.
Hình 3.24 Kết nối truyền thông Profinet giữa 2 PLC
Thiết lập PLC Local và PLC Partner
Hình 3.25 Thiết lập PLC Local và PLC Partner giữa 2 PLC
❖ Lệnh PUT được dùng để truyền dữ liệu tới PLC Partner Lệnh thực thi khi có cạnh lên tín hiệu tại tham số REQ:
− Dữ liệu được truyền từ địa chỉ SD_i của PLC Local và đưa vào vùng địa chỉ ADDR_i của PLC Partner
− Dữ liệu truyền/nhận khai báo với kiểu dữ liệu Pointer
− Khi lệnh thực hiện xong thì tham số DONE = 1
− Nếu có lỗi, tham số Error =1, có thể truy xuất thông tin báo lỗi qua tham số STATUS
Bảng 3.24 Tham số của tập lệnh PUT
Tham số Khai báo Vùng nhớ Miêu tả
REQ In Bool Cho phép lệnh thực thi khi có cạnh lên tín hiệu
ID In Word S7 connection ID (Hex)
DONE OUT Bool Lệnh thực thi thành công
ERROR OUT Bool Lỗi xảy ra
STATUS OUT Word Mã lỗi thực thi
ADDR_i IN/OUT Any Pointer chỉ định vùng dữ liệu CPU
SD_i IN/OUT Any Pointer chỉ định vùng dữ liệu CPU
Lệnh GET được sử dụng để đọc dữ liệu từ PLC Partner (remote) và được thực thi khi có xung cạnh lên tại tham số REQ Các tham số của lệnh GET được mô tả chi tiết trong bảng 3.25.
Bảng 3.25 Tham số của tập lệnh GET
Tham số Khai báo Vùng nhớ Miêu tả
REQ In Bool Cho phép lệnh thực thi khi có cạnh lên tín hiệu
ID In Word S7 connection ID (Hex)
DONE OUT Bool Lệnh thực thi thành công
ERROR OUT Bool Lỗi xảy ra
STATUS OUT Word Mã lỗi thực thi
ADDR_i IN/OUT Any Pointer chỉ định vùng dữ liệu CPU
SD_i IN/OUT Any Pointer chỉ định vùng dữ liệu CPU
3.2.3 Truyền thông Profibus PLC với PLC Đối với đề tài này, ta sẽ thực hiện truyền thông Profibus giữa S7-315 2PN/DP và S7-414 3DP
S7-300 đóng vai trò làm Master:
− Sử dụng vùng nhớ I và Q để nhận và truyền dữ liệu
− Số lượng byte nhận và truyền và địa chỉ bắt đầu được xác định khi khai báo phần cứng
S7-400 đóng vai trò làm Slave:
− Số lượng byte nhận và truyền tại Master và Slave giống nhau
− Số lượng byte nhận và truyền và địa chỉ bắt đầu được xác định khi khai báo phần cứng
Số lượng byte nhận và truyền cùng với địa chỉ bắt đầu được xác định khi khai báo phần cứng Để thực hiện truyền thông Profibus giữa PLC S7-315 2PN/DP và S7-414 3DP, cần thực hiện các bước cụ thể.
Để thiết lập cấu hình DP Master và I-Slave, ta chọn PLC S7-414 3DP làm I-Slave và S7-315 2DP/PN làm DP Master Đầu tiên, cần thêm các PLC S7-300 và PLC S7-400 vào dự án, sau đó cấu hình phần cứng tương ứng với thực tế của từng PLC.
Hình 3.29 Địa chỉ và tốc độ truyền của S7-315 2PN/DP
Tiếp theo ta chọn 2 trạm có cùng một tốc độ truyền là 1.5Mbps và phải khác địa chỉ của S7-315 2PN/DP:
Hình 3.30 Chọn S7-315 2PN/DP làm DP Master
Sau khi hoàn tất cấu hình, tiến hành kết nối hai PLC bằng cách thêm CPU S7-414 3DP vào đường PROFIBUS (1) và nhấn nút couple để hoàn tất quá trình.
Để kết nối hai PLC S7315 2PN/DP và S7-414 3DP, trước tiên, bạn cần thiết lập địa chỉ giữa chúng bằng cách vào phần cấu hình Sau khi hoàn tất việc thiết lập địa chỉ, bạn có thể sử dụng lệnh MOVE để truyền dữ liệu giữa hai PLC.
3.2.4 Truyền thông Profibus PLC với Remote I/O
Trong hệ thống tự động hóa công nghiệp hiện nay, việc sử dụng cấu hình với bộ điều khiển PLC trung tâm (CPU) để giao tiếp truyền thông với các bộ I/O từ xa trở thành xu thế tất yếu Điều này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình vận hành mà còn giảm chi phí thiết kế hệ thống một cách hiệu quả.
Để tối ưu chi phí, cần giảm thiểu việc kéo dây dẫn từ thiết bị trường đến tủ điều khiển trung tâm, thay vào đó chỉ cần kéo dây đến các tủ I/O gần thiết bị trường.
Quá trình bảo trì và bảo dưỡng hệ thống trở nên dễ dàng hơn khi thực hiện truyền thông Profibus giữa PLC S7-315 2PN/DP và bộ Remote I/O ET 200S module IM 151HF Khi sự cố xảy ra, việc tìm lỗi trong nhiều dây dẫn có thể tốn thời gian và công sức Trong dự án này, PLC S7-315 sẽ đóng vai trò là master, trong khi module IM 151HF sẽ là slave, giúp tối ưu hóa quy trình bảo trì.
Thành phần hệ thống ET200S bao gồm:
The IM 151-1 BASIC, IM 151-1 STANDARD, IM 151-1 FO STANDARD, and IM 151-1 HIGH FEATURE modules facilitate the connection of the ET200S module with the DP Master, enabling the preparation of data for seamless integration with other modules.
− Module nguồn: Giám sát nguồn khi kết nối các module tín hiệu
− Terminal module: kết nối các module nguồn, module tín hiệu, kết nối dây
− Terminating module: module kết thúc ET200S
❖ Đặt địa chỉ Profibus DP cho module IM-151HF, ta gạt các DIP switch để cài đặt địa chỉ mong muốn
❖ Khởi tạo lớp mạng DP Master, tốc độ truyền, chế độ hoạt động và địa chỉ cho module Profibus
Hình 3.34 Khởi tạo lớp mạng DP Master
Hình 3.35 Thiết lập vai trò DP Master
❖ Ta khai báo module IM-151HF, module PM-E và các module I/O Tiếp theo ta kết nối với nhau như hình 3.36
Hình 3.36 Truyền thông Profibus với Remote I/O
❖ Cuối cùng ta khai báo địa chỉ DP Slave tương ứng khi ta cài đặt ở phần cứng
Hình 3.37 Cấu hình truyền thông DP Slave
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ, GHÉP NỐI HỆ THỐNG MẠNG TRUYỀN THÔNG
CÔNG NGHIỆP CHO HỆ PLC SIEMENS
Giới thiệu cấu trúc tổng quan
Sơ đồ cấu trúc mạng:
Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc hệ plc Siemens
Trong sơ đồ cấu trúc mạng thì:
− S7- 400 có vai trò cao nhất của cấp nhà máy
− Từ S7- 300 trở xuống là cấp phân xưởng
− Từ S7- 1200 trở xuống là cấp trường
Trong cấp trường chia ra:
S7-1200 là cấp điều khiển, có vai trò đọc các thông tin từ đồng hồ đo xử lý và truyền các tín hiệu đến các biến tần
S7-300 là cấp điều khiển giám sát, có thể nhận và truyền tất cả thông tin từ S7-1200
− Bus trường: bao gồm cấp điều khiển và cấp chấp hành
Cấp điều khiển: PLC S7-1200 có vai trò điều khiển, giám sát và đọc các thông tin của các thiết bị trường
Cấp chấp hành: là các thiết bị trường gồm biến tần V20, biến tần V1000, biến tần G120, đồng hồ đo MT4W
Hình 4.2 Hình ảnh thực tế cấu trúc mạng truyền thông PLC Siemens
Thiết kế mạng cấp phân xưởng
S7-315 2PN/DP đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát toàn bộ hoạt động của máy 1, máy 2 và máy 3 trong cấp phân xưởng Thiết bị này tiếp nhận dữ liệu từ PLC S7-1214AC/DC/Rly và S7 1214DC/DC/DC thông qua giao thức truyền thông Profinet.
Ta dùng khối lệnh GET để nhận dữ liệu truyền từ 2 PLC S7-1200:
Hình 4.3 Lệnh GET nhận dữ liệu của biến tần V20 và biến tần V1000
Hình 4.4 Lệnh GET nhận dữ liệu của biến tần G120
Ta nhận được kết quả báo về như hình 4.5, hình 4.6 và hình 4.7
Hình 4.5 PLC S7-300 nhận dữ liệu biến tần V20 từ PLC S7-1200AC/DC/Rly
Hình 4.6 PLC S7-300 nhận dữ liệu biến tần V1000 từ PLC S7-1200AC/DC/Rly
Hình 4.7 PLC S7-300 nhận dữ liệu biến tần G120 từ PLC S7-1200DC/DC/DC
Thiết kế mạng cấp trường
❖ Biến tần SINAMICS G120 Địa chỉ IP: 192.168.0.6 Để chạy được biến tần, ta cần đặt các giá trị vào 2 thanh ghi STW1 và HSW
Bảng 4.1 Các giá trị của thanh ghi biến tần G120
Thanh ghi Vùng nhớ Mô tả
NSOLL_A QW66 Tốc độ đặt động cơ tỉ lệ với 4000H
Tốc độ tối đa là 4000H
NIST_A IW70 Tốc độ thực
❖ S7-1200DC/DC/DC Địa chỉ IP: 192.268.0.5
Chức năng: điều khiển và giám sát biến tần SINAMISC G120
Hình 4.8 Cài đặt các giá trị start, stop biến tần G120
Hình 4.9 Xử lí giá trị đặt tần số của biến tần G120
Hình 4.10 Xử lí giá trị tần số thực của biến tần G120
Màn hình HMI đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và giám sát hoạt động của biến tần, hiển thị dữ liệu và trạng thái của biến tần một cách rõ ràng Tại khu máy 2, HMI giúp người dùng theo dõi và quản lý hiệu suất của hệ thống một cách hiệu quả.
❖ Cấu hình truyền thông điều khiển biến tần Yaskawa V1000 Địa chỉ Modbus: 3
Bảng 4.2 Giá trị Modbus điều khiển biến tần Yaskawa V1000
Thanh ghi Giá trị đặt Chức năng
0 : Dừng Điều khiển biến tần chạy và dừng
0002H 40003 Tần số đặt 0-50Hz ( tỉ lệ với 4000H)
0024H 40037 Tần số thực tế 0-50Hz ( tỉ lệ với 4000H)
Bảng 4.3 Thông số cấu hình để truyền thông biến tần Yaskawa V1000
Thông số Mô tả Giá trị
H5-01 Địa chỉ trạm điều khiển 3
H5-02 Chọn tốc độ truyền thông Modbus 3 (9.6 Kbps)
H5-04 Chọn phương pháp dừng khi có lỗi truyền thông 3
H5-05 Lựa chọn có phát hiện lỗi truyền thông 1
H5-06 Thời gian chờ gửi tin 5 ms
H5-09 Đặt thời gian yêu cầu đến khi phát hiện lỗi 2.0s
❖ Cấu hình truyền thông điều khiển biến tần SINAMICS V20 Địa chỉ Modbus: 2
Bảng 4.4Giá trị Modbus điều khiển biến tần V1000
Thanh ghi Giá trị Ý nghĩa
16#047F Cho phép đông cơ quay theo chiều thuận 16#0C7F Cho phép đông cơ quay theo chiều nghịch
40101 0-50Hz Tần số đặt tỉ lệ giá trị của 4000H
40111 0-50Hz Tần số đầu ra tỉ lệ giá trị của 4000H
Bảng 4.5 Thông số Modbus cho đồng hồ đo MT4W
Thông số Giá trị Chức năng
00210(00D1) 3 Địa chỉ modbus của MT4W là 3
00211(00D2) 3 Chọn tốc độ baudrate 9600 bps
Bit chẵn lẻ 0 Giá trị mặc định
Bit Stop 1 Giá trị mặc định
Bit Start 1 Giá trị mặc định
Bảng 4.6 Thông số cài đặt S7-1200 AC/DC/Rly
Bộ điều khiển S7-1200AC/DC/Rly hoạt động như Master, có nhiệm vụ giám sát và điều khiển các thiết bị trong khu máy 3, bao gồm biến tần SINAMICS V20, biến tần Yaskawa V1000 và đồng hồ đo MT4W.
Sau khi hoàn tất cấu hình truyền thông với bộ ET200S như đã trình bày ở phần 3.2.4, bạn cần nạp dữ liệu xuống PLC Tiếp theo, bạn có thể gọi các địa chỉ module I/O từ xa, bao gồm DI/DO hoặc AI/AO, tương tự như các module I/O được gắn trực tiếp trên PLC S7-300 trong thanh Rack.
Thiết kế hệ giám sát với HMI KTP600 /WINCC
Giao diện điều khiển được thiết kế theo yêu cầu của người sử dụng máy, có tính năng điều khiển và giám sát biến tần G120 thông qua Profinet
Thông số kỹ thuật của màn hình KTP600 Basic Mono PN:
Bảng 4.7 Thông số kỹ thuật màn hình KTP600
Thiết kế màn hình STN Độ phân giải 320x240 pixel
Phần mềm cấu hình WINCC BASIC V10.5/ STEP7 BASIC V10.5
Hình 4.11 Hệ giám sát trên WinCC
Hình 4.12 Hệ giám sát trên HMI KTP600 thực tế
