ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu, xây dựng mạng truyền thông công nghiệp cho hệ PLC Siemens tại bộ môn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu, xây dựng mạng truyền thông công nghiệp cho hệ PLC Siemens mơn VŨ TRÍ THÀNH thanh.vt166751@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hoá Chun ngành Tự động hố cơng nghiệp Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Danh Huy Bộ mơn: Tự động hóa công nghiệp Viện: Điện HÀ NỘI, 7/2020 Chữ ký GVHD ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Đề tài “Nghiên cứu, xây dựng mạng truyền thông công nghiệp cho hệ PLC Siemens môn” Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Danh Huy Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Lời cảm ơn Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Danh Huy tồn thể thầy mơn Tự động hố cơng nghiệp thầy viện Điện, tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án Mặc dù suốt trình thực đồ án, em cố gắng, nỗ lực với tinh thần tâm cao nhất, trình độ hiểu biết lý thuyết thực tiễn nhiều hạn chế, nên đồ án em khơng tránh khỏi thiếu sót Em kính mong nhận góp ý, bảo giúp đỡ thầy cô giáo để đồ án em hồn thiện Tóm tắt nội dung đồ án Trong đề tài đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu, xây dựng mạng truyền thông công nghiệp cho hệ PLC Siemens ” , vấn đề đặt điều khiển , giám sát thiết bị có sẵn môn trao đổi liệu qua mạng truyền thông Modbus RTU, Profibus Profinet Phần mềm sử dụng đồ án bao gồm phần mềm TIA PORTAL V15, Auto CAD… Các nội dung đồ án em làm gồm có: − Chương Tìm hiểu chung mạng truyền thơng cơng nghiệp − Chương Tìm hiểu mạng truyền thông Siemens − Chương PLC Siemens giao thức truyền thông − Chương Thiết kế, ghép nối hệ thống mạng truyền thơng cơng nghiệp cho hệ PLC Siemens phịng thí nghiệm − Chương Kết luận Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC CHƯƠNG TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠNG TRUYỀN THƠNG CƠNG NGHIỆP 1.1 Vai trò mạng truyền thông công nghiệp 1.2 Cấu trúc tổng quan mạng truyền thông công nghiệp CHƯƠNG TÌM HIỂU CÁC MẠNG TRUYỀN THƠNG CỦA SIEMENS .6 2.1 2.2 2.3 Truyền thông Modbus RTU 2.1.1 Chuẩn vật lý 2.1.2 Giao thức 14 2.1.3 Các thiết bị hỗ trợ 17 Truyền thông Profibus 18 2.2.1 Chuẩn vật lý 18 2.2.2 Giao thức 23 2.2.3 Các thiết bị hỗ trợ 29 Truyền thông Profinet 30 2.3.1 Chuẩn vật lý 30 2.3.2 Giao thức 31 2.3.3 Các thiết bị hỗ trợ 34 CHƯƠNG PLC SIEMENS VÀ CÁC GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG 35 3.1 3.2 PLC S7-1200 giao thức truyền thông 35 3.1.1 Giới thiệu PLC S7-1214C 35 3.1.2 Truyền thông Modbus S7-1200 với số thiết bị trường 37 3.1.3 Truyền thông Profinet với biến tần G120 Siemens 58 PLC S7-315 PN/DP truyền thông 61 3.2.1 Giới thiệu S7-315 PN/DP 61 3.2.2 Truyền thông Profinet PLC với PLC 63 3.2.3 Truyền thông Profibus PLC với PLC 66 3.2.4 Truyền thông Profibus PLC với Remote I/O 68 CHƯƠNG THIẾT KẾ, GHÉP NỐI HỆ THỐNG MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP CHO HỆ PLC SIEMENS 72 4.1 Giới thiệu cấu trúc tổng quan 72 4.2 Thiết kế mạng cấp phân xưởng 74 4.3 Thiết kế mạng cấp trường 75 4.4 Thiết kế hệ giám sát với HMI KTP600 /WINCC 79 CHƯƠNG KẾT LUẬN 82 5.1 Kết luận 82 5.2 Hướng phát triển đồ án tương lai 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 PHỤ LỤC 84 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nối dây truyền thơng (a) nối mạng cơng nghiệp (b) Hình 1.2 Cấu trúc tổng quan mạng truyền thông công nghiệp Hình 2.1 Qui định trạng thái logic tín hiệu RS-232 Hình 2.2 Đầu nối DB-9 Hình 2.3 Đầu nối DB-25 Hình 2.4 Một số ví dụ ghép nối với RS-232 Hình 2.5 Sơ đồ kích thích (driver) thu (receiver) RS-485 11 Hình 2.6 Qui định trạng thái logic tín hiệu RS-485 11 Hình 2.7 Cấu hình mạng RS-485 hai dây 12 Hình 2.8 Cấu hình mạng RS-485 sử dụng dây 12 Hình 2.9 Cáp truyền thông RS485 17 Hình 2.10 Giắc cắm DB9 18 Hình 2.11 Đầu nối M12 20 Hình 2.12 Đầu nối kiểu Siemens-Hibrid 20 Hình 2.13 Kiến trúc giao thức PROFIBUS 24 Hình 2.14 Cấu hình Multi-Master PROFIBUS 27 Hình 2.15 Các dịch vụ truyền liệu PROFIBUS 28 Hình 2.16 Một nối PROFIBUS (SubD) 29 Hình 2.17 Cáp truyền thông Profibus 30 Hình 2.18 Cổng RJ45 31 Hình 2.19 Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3 32 Hình 2.20 Bộ chuyển mạch (switch) 34 Hình 3.1 Hình dáng bên ngồi S7-1214 module mở rộng 35 Hình 3.2 Module CM 1241 (RS422/485) 37 Hình 3.3 Hệ thống điều khiển biến tần SINAMICS V20 38 Hình 3.4 Sơ đồ kết nối hệ thống biến tần SINAMICS V20 38 Hình 3.5 Sơ đồ đấu dây SINAMICS V20 39 Hình 3.6 Màn hình điều khiển SINAMICS V20 41 Hình 3.7 Cấu trúc tổng quan menu parameter SINAMICS V20 43 Hình 3.8 Kết nối theo Macro Cn11 44 Hình 3.9 Khối lệnh MB_COMM_LOAD 46 Hình 3.10 Khối lệnh MB_MASTER 46 Hình 3.11 Biến tần Yaskawa V1000 47 Hình 3.12 Màn hình điều khiển Yaskawa V1000 48 Hình 3.13 Sơ đồ đấu nối mạch điều khiển Yaskawa V1000 50 Hình 3.14 Đồng hồ đo MT4W 54 Hình 3.15 Màn hình hiển thị MT4W 54 Hình 3.16 Thông tin đặt hàng MT4W 55 Hình 3.17 Sơ đồ đấu nối ngõ vào đo MT4W 57 Hình 3.18 Sơ đồ kết nối ngõ MT4W 57 Hình 3.19 Biến tần SINAMICS G120 58 Hình 3.20 Giao diện điều khiển SINAMICS G120 59 Hình 3.21 Kết nối RS485 cho USS MODBUS RTU SINAMICS G120 60 Hình 3.22 Cài đặt Commissioning biến tần G120 60 Hình 3.23 CPU 315-2PN/DP 61 Hình 3.24 Kết nối truyền thơng Profinet PLC 63 Hình 3.25 Thiết lập PLC Local PLC Partner PLC 64 Hình 3.26 Lệnh PUT 64 Hình 3.28 PLC S7-400 66 Hình 3.29 Địa tốc độ truyền S7-315 2PN/DP 67 Hình 3.30 Chọn S7-315 2PN/DP làm DP Master 68 Hình 3.31 Kết nối PLC S7315 2PN/DP S7-414 3DP với 68 Hình 3.32 Module IM 151HF 69 Hình 3.33 Hệ thống ET200S 69 Hình 3.34 Khởi tạo lớp mạng DP Master 70 Hình 3.35 Thiết lập vai trị DP Master .70 Hình 3.36 Truyền thông Profibus với Remote I/O 71 Hình 3.37 Cấu hình truyền thơng DP Slave 71 Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc hệ plc Siemens 72 Hình 4.2 Hình ảnh thực tế cấu trúc mạng truyền thông PLC Siemens 73 Hình 4.3 Lệnh GET nhận liệu biến tần V20 biến tần V1000 74 Hình 4.4 Lệnh GET nhận liệu biến tần G120 74 Hình 4.5 PLC S7-300 nhận liệu biến tần V20 từ PLC S7-1200AC/DC/Rly .75 Hình 4.6 PLC S7-300 nhận liệu biến tần V1000 từ PLC S7-1200AC/DC/Rly 75 Hình 4.7 PLC S7-300 nhận liệu biến tần G120 từ PLC S7-1200DC/DC/DC 75 Hình 4.8 Cài đặt giá trị start, stop biến tần G120 76 Hình 4.9 Xử lí giá trị đặt tần số biến tần G120 77 Hình 4.10 Xử lí giá trị tần số thực biến tần G120 77 Hình 4.11 Hệ giám sát WinCC 80 Hình 4.12 Hệ giám sát HMI KTP600 thực tế 81 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Tóm tắt thơng số quan trọng RS-232 Bảng 2.2 Các thông số quan trọng RS-485 10 Bảng 2.3 Khung thông báo Modbus chế độ RTU 15 Bảng 2.4 Chiều dài tối đa đoạn mạng PROFIBUS (cáp STP loại A) 19 Bảng 2.5 Mỗi đầu dây kết thúc trở đầu cuối bị động 22 Bảng 2.6 Một số cung cấp nguồn chuẩn theo IEC 1158-2 22 Bảng 2.7 Chiều dài cáp dẫn theo IEC 1158-2 23 Bảng 2.8 Ngữ nghĩa khung điện FDL 26 Bảng 2.9 Một số loại cáp truyền Profinet thông dụng 30 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật CPU S7-1200 1214C 36 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật biến tần SINAMICS V20 39 Bảng 3.3 Tên chức chân điều khiển biến tần SINAMICS V20 40 Bảng 3.4 Chức phím bấm 41 Bảng 3.5 Ý nghĩa biểu tượng trạng thái hình điều khiển BOP 42 Bảng 3.6 Ý nghĩa đèn led hình điều khiển BOP 42 Bảng 3.7 Thông số động (motor data) 44 Bảng 3.8 Thông số Macro Cn11 45 Bảng 3.9 Các giá trị ghi dùng cho SINAMICS V20 45 Bảng 3.10 Tham số khối lệnh MB_Comm_Load 46 Bảng 3.11 Tham số khối lệnh MB_MASTER 47 Bảng 3.12 Các phím chức hình điều khiển Yaskawa V1000 48 Bảng 3.13 Thông số kỹ thuật biến tần Yaskawa V1000 49 Bảng 3.14 Thông số đầu vào biến tần Yaskawa V1000 51 Bảng 3.15 Thông số đầu biến tần Yaskawa V1000 52 Bảng 3.16 Thông số chân truyền thông Yaskawa V1000 52 Bảng 3.17 Thông số kiểu điều khiển thông số động 53 Bảng 3.18 Các thông số truyền thông biến tần Yaskawa V1000 53 Bảng 3.19 Thông số kỹ thuật đồng hồ đo MT4W 56 Bảng 3.20 Truyền thông MODBUS MT4W 57 Bảng 3.21 Thông số kỹ thuật biến tần SINAMICS G120 58 Bảng 3.22 Giao diện điều khiển đèn báo CPU 315-2PN/DP 62 Bảng 3.23 Thông số kỹ thuật CPU 315-2PN/DP 63 Bảng 3.24 Tham số tập lệnh PUT .65 Bảng 3.25 Tham số tập lệnh GET .66 Bảng 4.1 Các giá trị ghi biến tần G120 76 Bảng 4.2 Giá trị Modbus điều khiển biến tần Yaskawa V1000 78 Bảng 4.3 Thơng số cấu hình để truyền thơng biến tần Yaskawa V1000 78 Bảng 4.4 Giá trị Modbus điều khiển biến tần V1000 78 Bảng 4.5 Thông số Modbus cho đồng hồ đo MT4W 79 Bảng 4.6 Thông số cài đặt S7-1200 AC/DC/Rly 79 Bảng 4.7 Thơng số kỹ thuật hình KTP600 80 − Module giao tiếp IM 151-1 BASIC / IM 151-1 STANDARD / IM 151-1 FO STANDARD / IM 151-1 HIGH FEATURE: Kết nối module ET200S với DP Master chuẩn bị liệu cho kết nối với module khác − Module nguồn: Giám sát nguồn kết nối module tín hiệu − Terminal module: kết nối module nguồn, module tín hiệu, kết nối dây − Terminating module: module kết thúc ET200S Các bước truyền thông: ❖ Đặt địa Profibus DP cho module IM-151HF, ta gạt DIP switch để cài đặt địa mong muốn ❖ Khởi tạo lớp mạng DP Master, tốc độ truyền, chế độ hoạt động địa cho module Profibus Hình 3.34 Khởi tạo lớp mạng DP Master Hình 3.35 Thiết lập vai trị DP Master ❖ Ta khai báo module IM-151HF, module PM-E module I/O Tiếp theo ta kết nối với hình 3.36 Hình 3.36 Truyền thơng Profibus với Remote I/O ❖ Cuối ta khai báo địa DP Slave tương ứng ta cài đặt phần cứng Hình 3.37 Cấu hình truyền thơng DP Slave 71 CHƯƠNG THIẾT KẾ, GHÉP NỐI HỆ THỐNG MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP CHO HỆ PLC SIEMENS 4.1 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 trị cao cấp nhà máy − Từ S7- 300 trở xuống cấp phân xưởng − Từ S7- 1200 trở xuống cấp trường Trong cấp trường chia ra: − Bus hệ thống: S7-1200 cấp điều khiển, có vai trị đọc thơng tin từ đồng hồ đo xử lý truyền tín hiệu đến biến tần S7-300 cấp điều khiển giám sát, nhận truyền tất thông tin từ S7-1200 − Bus trường: bao gồm cấp điều khiển cấp chấp hành Cấp điều khiển: PLC S7-1200 có vai trị điều khiển, giám sát đọc thông tin thiết bị trường Cấp chấp hành: 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 73 4.2 Thiết kế mạng cấp phân xưởng S7-315 2PN/DP cấp phân xưởng có vai trị giám tồn máy 1, máy máy Tiếp nhận liệu từ PLC S7-1214AC/DC/Rly S7 1214DC/DC/DC truyền thông Profinet Ta dùng khối lệnh GET để nhận liệu truyền từ PLC S7-1200: Hình 4.3 Lệnh GET nhận liệu biến tần V20 biến tần V1000 Hình 4.4 Lệnh GET nhận liệu biến tần G120 Ta nhận kết báo hình 4.5, hình 4.6 hình 4.7 Hình 4.5 PLC S7-300 nhận liệu biến tần V20 từ PLC S7-1200AC/DC/Rly Hình 4.6 PLC S7-300 nhận liệu biến tần V1000 từ PLC S7-1200AC/DC/Rly Hình 4.7 PLC S7-300 nhận liệu biến tần G120 từ PLC S7-1200DC/DC/DC 4.3 a) Thiết kế mạng cấp trường Khu máy 75 Khu máy bao gồm: − PLC S7-1214DC/DC/DC − Biến tần SINAMICS V20 − HMI KTP 600 ❖ Biến tần SINAMICS G120 Địa IP: 192.168.0.6 Để chạy biến tần, ta cần đặt giá trị vào ghi STW1 HSW Bảng 4.1 Các giá trị ghi biến tần G120 Thanh ghi Vùng nhớ Mô tả STW QW64 16#047F : Chạy thuận 16#047E: Chạy ngược NSOLL_A QW66 Tốc độ đặt động tỉ lệ với 4000H Tốc độ tối đa 4000H NIST_A IW70 Tốc độ thực ❖ S7-1200DC/DC/DC Địa IP: 192.268.0.5 Chức năng: điều khiển giám sát biến tần SINAMISC G120 Hình 4.8 Cài đặt giá trị start, stop biến tần G120 Hình 4.9 Xử lí giá trị đặt tần số biến tần G120 Hình 4.10 Xử lí giá trị tần số thực biến tần G120 ❖ Màn hình HMI có chức điều khiển giám sát hoạt động biến tần, liệu biến tần trạng thái biến tần hiển thị HMI b) Khu máy Khu máy bao gồm: − PLC 1214AC/DC/Rly − Biến tần Yaskawa V100 − Biến tần SINAMICS V20 − Đồng hồ đo MT4W 77 ❖ Cấu hình truyền thơng điều khiển biến tần Yaskawa V1000 Địa Modbus: Bảng 4.2 Giá trị Modbus điều khiển biến tần Yaskawa V1000 Thanh ghi 0001H 40002 Giá trị đặt Chức : Chạy thuận Điều khiển biến tần chạy dừng : 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 thơng biến tần Yaskawa V1000 Thông số H5-01 H5-02 H5-03 H5-04 H5-05 H5-06 H5-07 H5-09 Mô tả Địa trạm điều khiển Chọn tốc độ truyền thông Modbus Chọn bit chẵn lẻ Chọn phương pháp dừng có lỗi truyền thơng Lựa chọn có phát lỗi truyền thông Thời gian chờ gửi tin Chọn điều khiển RST Đặt thời gian yêu cầu đến phát lỗi Giá trị 3 (9.6 Kbps) ms 2.0s ❖ Cấu hình truyền thông điều khiển biến tần SINAMICS V20 Địa Modbus: Bảng 4.4 Giá trị Modbus điều khiển biến tần V1000 Thanh ghi 40100 40101 40111 Giá trị 16#047E 16#047F 16#0C7F 0-50Hz 0-50Hz Ý nghĩa Dừng biến tần Cho phép đông quay theo chiều thuận Cho phép đông quay theo chiều nghịch Tần số đặt tỉ lệ giá trị 4000H Tần số đầu tỉ lệ giá trị 4000H ❖ Đồng hồ đo MT4W Bảng 4.5 Thông số Modbus cho đồng hồ đo MT4W Thông số 00210(00D1) 00211(00D2) Bit chẵn lẻ Bit Stop Bit Start Giá trị 3 1 Chức Địa modbus MT4W Chọn tốc độ baudrate 9600 bps Giá trị mặc định Giá trị mặc định Giá trị mặc định ❖ S7-1200AC/DC/Rly Bảng 4.6 Thông số cài đặt S7-1200 AC/DC/Rly Tốc độ truyền 9.6 kbps Bit chẵn lẻ Dữ liệu bit bits Số bit stop Thời gian chờ 20000 ms S7-1200AC/DC/Rly đóng vai trị làm Master điều khiển, giám sát thiết bị trường biến tần SINAMICS V20, biến tần Yaskaw V1000 đồng hồ đo MT4W c) Khu máy Khi cấu hình truyền thơng với ET200S xong phần 3.2.4, ta nạp liệu xuống PLC thực gọi địa module I/O từ xa DI/DO AI/AO module I/O gắn PLC S7-300 Rack 4.4 Thiết kế hệ giám sát với HMI KTP600 /WINCC Giao diện điều khiển thiết kế theo yêu cầu người sử dụng máy, có tính điều khiển giám sát biến tần G120 thơng qua Profinet Thơng số kỹ thuật hình KTP600 Basic Mono PN: 79 Bảng 4.7 Thông số kỹ thuật hình KTP600 Kích thước 5.7inch Thiết kế hình STN Độ phân giải 320x240 pixel Nguồn cấp 24VDC Bộ nhớ RAM Mbyte Truyền thông Profinet Phần mềm cấu hình WINCC BASIC V10.5/ STEP7 BASIC V10.5 Hình 4.11 Hệ giám sát WinCC Hình 4.12 Hệ giám sát HMI KTP600 thực tế 81 CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 Kết luận Sau thời gian làm đồ án với nhiệm vụ “Nghiên cứu, xây dựng mạng truyền thông công nghiệp cho hệ PLC Siemens” em tìm hiểu tiếp thu nhiều kinh nghiệm thực tế tốn điều khiển q trình cụ thể Thơng qua đó, em tổng hợp nhiều kiến thức học năm trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Các kết cụ thể em thu sau: − Thiết kế sơ đồ đấu nối thiết bị hệ thống − Tìm hiểu thiết bị chấp hành, vào/ra phân tán cho hệ thống − Thiết kế chương trình điều khiển PLC S7-1200 giao diện hệ thống − Chạy hệ thống chỉnh định tham số điều khiển thực tế − Lập trình phần mềm Tia Portal thiết kế giao diện HMI Do thời gian thực đồ án có hạn kiến thức thân hạn chế nên đồ án em chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đóng góp ý kiến từ phía thầy cô bạn để đồ án em hồn thiện 5.2 Hướng phát triển đồ án tương lai Em xin đề xuất hướng phát triển đồ án tương lai sau: − Hoàn thiện hệ thống mạng cấp nhà máy − Nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển giám sát từ xa TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [2] Trần Văn Hiếu, Tự động hóa PLC S7-300 với TIA Portal, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2019 [3] Trần Văn Hiếu, Tự động hóa PLC S7-1200 với TIA Portal, Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật, 2019 [4] Tài liệu hãng Siemens 83 PHỤ LỤC Sơ đồ nguồn