ĐỒ án tốt NGHIỆP nghiên cứ u, xây dự ng 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 điề u 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 thông công nghiệp − Chương Tìm hiểu mạng truyền thơng 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 CHƯƠNG TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP 1.1 Vai trị mạng truyền thơng cơng nghiệp 1.2 Cấu trúc tổng quan mạng truyền thông công nghiệp CHƯƠNG TÌM HIỂU CÁC MẠNG TRUYỀN THƠNG CỦA SIEMENS 2.1 Truyền thơng Modbus RTU 2.2 2.3 2.1.1 Chuẩn vật lý 2.1.2 Giao thức 2.1.3 Các thiết bị hỗ trợ Truyền thông Profibus 2.2.1 Chuẩn vật lý 2.2.2 Giao thức 2.2.3 Các thiết bị hỗ trợ Truyền thông Profinet 2.3.1 Chuẩn vật lý 2.3.2 Giao thức 2.3.3 Các thiết bị hỗ trợ CHƯƠNG PLC SIEMENS VÀ CÁC GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG 3.1 3.2 PLC S7-1200 giao thức truyền thông 3.1.1 Giới thiệu PLC S7-1 3.1.2 Truyền thông Modbu 3.1.3 Truyền thông Profine PLC S7-315 PN/DP truyền thông 3.2.1 Giới thiệu S7-315 PN 3.2.2 Truyền thông Profin 3.2.3 Truyền thông Profib 3.2.4 Truyền thông Profibus PLC với Remote I/O 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) .1 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 thơng 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 thơng Profibus với Remote I/O 71 Hình 3.37 Cấu hình truyền thông 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 thơng 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 .7 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 thơng số động 53 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 Thiết kế mạng cấp trường a) Khu máy 75 Khu máy bao gồm: ❖ B i ế n t ầ n S I N A M I C S − PLC S7-1214DC/DC/DC − Biến tần SINAMICS V20 − HMI KTP 600 G Đ ị a c h ỉ I P : Để chạy biến tần, ta cần đặt giá trị vào ghi STW1 HSW Thanh ghi STW NSOLL_A NIST_A ❖ S 0 D C / D C / D C Đ ị a c h ỉ I P : 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 Thanh ghi 0001H 0002H 0024H Bảng 4.3 Thông số cấu hình để truyền thơng biến tần Yaskawa V1000 Thơng số H5-01 H5-02 H5-03 H5-04 Mô tả Địa trạm điều khiển Chọ n tốc độ truyề n thông Modbus Chọn bit chẵn lẻ Chọn phương pháp dừng có lỗi truyền thông Giá trị 3 (9.6 Kbps) H5-05 H5-06 H5-07 H5-09 ❖ Cấu Lựa chọn có Thời gian c Chọn điều Đặt thời gian hình truyền thơng điều khiển biến tần SINAMICS V20 Địa Modbus: Bảng 4.4 Giá trị Mod Thanh ghi 40100 40101 40111 ❖ Đồng hồ đo MT4W Bảng 4.5 Thông số Modbus cho đồng hồ đo MT4W Thông số 00210(00D1) 00211(00D2) chẵn lẻ Bit Stop Bit Start ❖ S7-1200AC/DC/Rly Bảng 4.6 Thông số cài đặt S7-1200 AC/DC/Rly Tốc độ truyền Bit chẵn lẻ Dữ liệu bit Số bit stop Thời gian chờ 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 thông qua Profinet Thông số kỹ thuật hình KTP600 Basic Mono PN: 79 Bảng 4.7 Thơng 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 thơng 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 ủ Do thờắi gianắ thực đồểtránhcókhạỏn ữkiếnthiếức thân ấcònmonghạ chếậnênđượđồ ánự c a em ch c ch n khơng th i nh ng u sót Em r t nh n c s đóng góp ý kiến từ phía thầy 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] Hồng Minh Sơn, Mạng truyền thơng cơng 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 ... sử d? ?ng m? ?ng truyền th? ?ng c? ?ng nghiệp thiếu việc tích hợp hệ th? ?ng tự đ? ?ng hóa đại 1.2 Cấu trúc t? ?ng quan m? ?ng truyền th? ?ng c? ?ng nghiệp Hình 1.2 Cấu trúc t? ?ng quan m? ?ng truyền th? ?ng c? ?ng nghiệp. .. IPX/SPX M? ?ng c? ?ng ty M? ?ng c? ?ng ty nằm mơ hình phân cấp hệ th? ?ng truyền th? ?ng c? ?ng ty sản xuất c? ?ng nghiệp Đặc tr? ?ng m? ?ng c? ?ng ty gần với m? ?ng viễn th? ?ng m? ?ng máy tính diện r? ?ng nhiều phư? ?ng diện... thuật th? ?ng tin , đư? ?ng nhiên kỹ thuật tự đ? ?ng hóa M? ?ng truyền th? ?ng c? ?ng nghiệp hay m? ?ng c? ?ng nghiệp ( MCN ) khái niệm chung hệ th? ?ng m? ?ng truyền th? ?ng số , truyền bit nối tiếp , sử d? ?ng để