Đang tải... (xem toàn văn)
DTCB2007 1 Biabaocaotongket doc Bé c«ng th−¬ng viÖn nghiªn cøu ®iÖn tö, tù ®éng, tin häc hãa B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi cÊp bé n¨m 2007 nghiªn cøu øng dông bé ®iÒu khiÓn tù ®éng ho¸ cã kh¶ n¨ng lËp tr×nh[.]
Bộ công thơng viện nghiên cứu điện tử, tự động, tin học hóa Báo cáo tổng kết đề tài cấp năm 2007 nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động hoá có khả lập trình pac cho hệ thống điều khiển công nghiệp Chủ nhiệm đề tµi: Ts ngun thÕ trun 6935 04/8/2008 hµ néi - 2007 Bộ Công THƯƠng Viện Nc Điện tử, Tin học, Tự động hoá & BO CO KT QU THC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH & PTCN CẤP BỘ NĂM 2007 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HỐ CĨ KHẢ NĂNG LẬP TRÌNH PAC CHO CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG NGHIỆP (Mã số: 137.07RD/2007) Cơ quan chủ trì: Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thế Truyện Cơ quan phối hợp: Hà Nội - 2007 DANH SÁCH CÁN BỘ KHOA HỌC CHÍNH THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT Họ tên Nguyễn Thế Truyện Lê Anh Tuấn Lai Thị Vân Quyên Dương Sơn Bài Học hàm, học vị, chuyên môn TS, ĐTVT ThS, TBĐ-ĐT KS, ĐL-THCN KS, KTM Cơ quan công tác Viện NC ĐT, TH, TĐH Viện NC ĐT, TH, TĐH Viện NC ĐT, TH, TĐH Công ty than Hạ Long MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU CHUNG MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .6 2.1 Mục tiêu đề tài 2.2 Nội dung nghiên cứu CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PAC QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ 1.1 1.2 1.3 Hệ thống tự động hoá sở PLC Hệ thống tự động hoá sở PC Tự động hoá sở PAC .9 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC VỀ PAC 2.1 2.2 Tình hình nghiên cứu nước Tình hình nghiên cứu nước 10 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PAC 11 3.1 PACs gì? 11 3.1.1 Năm đặc điểm PAC .12 3.1.2 So sánh PLC với PAC 12 3.1.3 Một số loại PAC hãng 13 3.2 Cấu trúc PAC 16 3.2.1 Cấu trúc PLC 16 3.2.2 Cấu trúc PC 16 3.2.3 Cấu trúc PAC 17 3.3 Các thành phần PACs 19 3.3.1 NI LabVIEW .19 3.3.2 PXI (PCI eXtension for Instrumentation) .21 3.3.3 COMPACT FIELDPOINT 26 3.3.4 COMPACT RIO 30 3.3.5 COMPACT VISION SYSTEM 36 3.3.6 PC CÔNG NGHIỆP 39 CHƯƠNG II PHẦN MỀM LABVIEW VÀ ỨNG DỤNG 41 So sánh LabVIEW với số ngôn ngữ lập trình thơng dụng khác 42 Mơi trường làm việc LabVIEW 42 2.1 2.2 Thiết bị ảo (VI) 42 Các bảng chức toolbar .43 Thu thập liệu với LabVIEW 45 Phân tích liệu với LabVIEW 46 Biểu diễn liệu LabVIEW 47 Một số Module phần mềm hỗ trợ LabVIEW 49 6.1 6.2 6.3 LabVIEW Datalogging and Supervisory Control 49 LabVIEW RealTime Module .54 LabVIEW FPGA 58 CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG, ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ PAC 60 THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG 60 1.1 1.2 1.3 Mục tiêu chung thiết kế hệ thống 60 Quan điểm thiết kế hệ thống chức 61 Mơ hình hệ thống đầy đủ 63 1.3.1 Cấu trúc trạm điều khiển trung tâm 65 1.3.2 Cấu trúc trạm điều khiển khu vực 66 1.3.3 Cấu trúc thiết bị đầu cuối đo thông số môi trường 66 1.3.4 Hệ thống ghép nối truyền thông 66 1.4 Mô hình hệ thống điều khiển đề tài .67 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 68 2.1 2.2 2.3 Trạm chủ PAC-cFP.MS.01 .68 Thiết kế phần cứng trạm (thiết bị) đầu cuối đo thông số môi trường 76 Thiết kế phần cứng hiển thị (Displayer) thông số môi trường 82 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 84 3.1 Thiết kế giao thức truyền thông 84 3.2 Thiết kế phần mềm trạm thiết bị đầu cuối đo thông số môi trường 88 3.3 Thiết kế phần mềm cho hiển thị .90 3.4 Thiết kế phần mềm cho trạm điều khiển khu vực host PC 91 3.5 Giao diện phần mềm thu thập thông số môi trường dựa LabVIEW 92 CHƯƠNG IV THỬ NGHIỆM 95 MỤC TIÊU THỬ NGHIỆM 95 THỬ NGHIỆM TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM 95 2.1 Cấu hình hệ thống thử nghiệm 95 2.2 Nội dung thử nghiệm 95 2.3 Tiến hành thử nghiệm 95 2.3.1 Kết nối hệ thống thủ nghiệm phịng thí nghiệm 95 2.3.2 Kết thử nghiệm mơ phịng thí nghiệm 96 2.3.2 Đánh giá kết thử nghiệm phịng thí nghiệm 97 THỬ NGHIỆM THỰC TẾ 97 3.1 Cấu hình hệ thống thử nghiệm 97 3.2 Nội dung thử nghiệm 97 3.3 Tiến hành thử nghiệm 98 3.3.1 Kết nối hệ thống thử nghiệm 98 3.3.2 Kết thử nghiệm thực tế .98 3.3.2 Đánh giá kết thử nghiệm .99 KẾT LUẬN 100 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 100 2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 PHẦN PHỤ LỤC 102 Danh sách hình Hình So sánh miền sử dụng hai hệ thống tự động hố Hình Các điều khiển PAC Hình Một điều khiển PAC (Programmable Automation Controller) Hình Cấu trúc PLC Hình Cấu trúc PC Hình Cấu trúc PAC Hình Cấu trúc phần cứng PXI Hình Sơ đồ bus trigger bus PCI thân khung PXI Hình Một điều khiển nhúng PXI Hình 10 Cấu trúc hệ điều khiển Compact FieldPoint Hình 11 Cấu trúc điều khiển cFP-2020 Hình 12 Các modul I/O Hình 13 Các kết nối Cp FieldPoint Hình 14 Một kết nối với rãnh cắm CpFieldPoint Hình 15 Bộ kết nối ngồi CpFieldPoint Hình 16 Thân máy CpFieldPoint Hình 17 Mơ tả truyền thơng điều khiển CompactRIO với HMI Hình 18 Cấu trúc số FPGA Hình 19 Mơ tả chương trình vào ComPactRIO Hình 20 Sơ đồ cấu trúc phần cứng nhúng CompactRIO Hình 21 Mơ hình mở rộng CompactRIO Hình 22 Khung mở rộng R series cRIO-9151 Hình 23 Các loại camera Hình 24 Hệ thống COMPACT VISION Hình 25 Front Panel, Diagram Icon/Connector Hình 26 Bảng cơng cụ, hàm điều khiển Hình 27 Các VI thu thập liệu Hình 28 Các VI phân tích liệu Hình 29 Các VI biểu diễn liệu Hình 30 Các VI dùng để đưa thơng tin lên Web Hình 31 Các VI dùng để tạo báo cáo Hình 32 Các VI dùng để lưu liệu vào file Hình 33 Một ví dụ LabVIEW FPGA Hình 34 Sơ đồ hệ thống giám sát thông số môi trường khai thác than lộ thiên Hình 35 Trạm chủ PAC-PXI Hình 36 Mơ hình hệ thống điều khiển đề tài Hình 37 Sơ đồ cấu hình cFP 21xx Hình 38 Sơ đồ chân DIO 550 Hình 39 Sơ đồ chân cFP CB-1 Hình 40 Ghép nối mạng Hình 41 Sơ đồ khối điểm đo Hình 42 Chuyển đổi chuẩn hố tín hiệu Hình 43 Cấu trúc chuyển đổi A/D AVR Atmega16 Hình 44 Sơ đồ ICLM35 Hình 45 Đồ thị đặc tính đầu điện áp phụ thuộc độ ẩm HM 1500 11 13 16 17 17 22 23 25 27 27 29 29 29 30 30 33 33 34 35 36 36 39 39 44 44 46 47 48 49 49 50 60 64 65 67 70 71 72 75 76 77 78 79 80 Hình 46 Sơ đồ chân Atmega16 Hình 47 Led hiển thị Hình 48 Lưu đồ hoạt động thực thi dịch vụ Master Slave i Hình 49 Lưu đồ thuật tốn cho điểm đo Slave i Hình 50 Lưu đồ thuật tốn cho Displayer Hình 51 Giao diện Hình 52 Giao diện log in Hình 53 Giao diện cài đặt điểm đo Hình 54 Giao diện thơng số điểm đo Hình 55 Mơ hình hệ thống thử nghiệm phịng thí nghiệm Hình 56 Mơ hình hệ thống thử nghiệm thực tế 80 82 87 89 90 93 93 94 94 96 98 MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU CHUNG Hiện nay, khoa học công nghệ ngày phát triển vũ bão, nhiều dòng sản phẩm điều khiển đời nhằm đáp ứng nhu cầu ngày khắt khe ứng dụng công nghiệp Ngay từ năm 1960, điều khiển khả trình PLC đời đánh dấu bước phát triển lớn việc đo lường, điều khiển Những hệ thống điều khiển rơle hành trình cũ kĩ, cồng kềnh trước thay PLC nhỏ gọn, đáng tin cậy Nhưng tính PLC chưa thoả mãn yêu cầu ứng dụng thực tế nên địi hỏi phải có điều khiển tiên tiến đời Bộ điều khiển PAC (Programmable Automation Controllers) đời để đáp ứng yêu cầu ngày cao PAC coi kết hợp tính tốt PLC máy tính PC nên PAC gần thoả mãn hững yêu cầu khắt khe ứng dụng công nghiệp Để theo kịp xu phát triển đó, Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) đầu tư nghiên cứu điều khiển PAC từ sớm Đặc biệt từ tháng 01/2007, VIELINA giao chủ trì thực đề tài “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động hố có khả lập trình ( PAC: Programmable Automation Controller) cho hệ thống điều khiển công nghiệp” Sau xin trình bày chi tiết kết đạt trình thực đề tài MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu đề tài Đây đề tài có tính chất tiếp cận để làm chủ công nghệ tiến tới ứng dụng nên chúng tơi đề mục tiêu đề tài sau - Nghiên cứu, nắm bắt làm chủ điều khiển PAC - Làm chủ khai thác phần mềm LabVIEW cho ứng dụng công nghiệp - Thiết kế, chế tạo thử nghiệm 01 hệ thống điều khiển sở PAC - Thử nghiệm phịng thí nghiệm thực tế để kiểm nghiệm thiết bị thiết kế, chế tạo 2.2 Nội dung nghiên cứu - Khảo sát, tìm hiểu nguyên lý làm việc, tính PAC - Nghiên cứu, làm chủ sử dụng phần mềm LabVIEW - Thiết kế chế tạo 01 hệ thống điều khiển công nghiệp sở PAC - Thử nghiệm hoàn thiện thiết kế hệ thống - Thử nghiệm thực tế hệ thống sở PAC ngành khai thác than CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PAC QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ Các hệ thống điều khiển tự động đời nhằm thực trình sản xuất cách tự động, theo quy trình xác định, khơng phụ thuộc vào đặc tính chủ quan người cơng nhân Các dây chuyền sản xuất tự động nâng cao suất, chất lượng, tiết kiệm nguyên vật liệu, hạ giá thành sản phẩm…Nói chung, tự động hố nâng cao chất lượng sống người lao động tồn xã hội Tự động hố hình thành phát triển từ lâu dựa nhiều nguyên tắc khác nhau, song phần đề cập tới trình phát triển hệ thống tự động hố đại dựa cơng nghệ tiên tiến, cụ thể từ hệ thống PLC hệ thống hệ sau 1.1 Hệ thống tự động hoá sở PLC PLC, đời vào năm 1960, ứng dụng rộng rãi điều khiển tự động hố cơng nghiệp Ban đầu PLC đưa nhằm thay mạch rơle sử dụng điều khiển máy móc, đầu điều khiển đóng cắt theo chương trình phần mềm Hiện nay, hầu hết PLC lập trình ngơn ngữ logic hình thang, ngơn ngữ tạo tiêu chuẩn IEC-31161-3 Hiện nay, thấy PLC hầu hết lĩnh vực công nghiệp chúng ứng dụng khắp nơi Các hệ thống PLC hệ đầu, dựa CPU trượt bit (slice-bit), có khả vào/ra số, đến PLC hệ sau ứng dụng công nghệ vi xử lý mới, đại nên phạm vi sử dụng đa dạng Mặt khác PLC hệ sau cịn tích hợp nhiều tính đại như: vào/ra tương tự, truyền thông mạng, sử dụng ngôn ngữ lập trình mức cao Nghiên cứu ứng dụng PLC chuyên gia ARC, VDC PLCS.net đưa số nhận xét sau [5]: v 80% hệ thống PLC dùng ứng dụng nhỏ (có từ đến 128 I/O) v 78% đầu vào PLC digital I/O v 80% ứng dụng PLC giải với khoảng 20 lệnh logic hình thang Đó lý đến số PLC sử dụng CPU AMD 2901 số công ty Keyence cho phép lập trình ngơn ngữ hình thang Chức khối hệ thống Ø HostPC: o Trao đổi liệu mạng Ehthernet (với cFP2100 với thiết bị nối mạng ) o Cấu hình cho cFP o Lập trình trình ứng dụng HMI cho cFP HostPC Ø CFP o Trao đổi liệu với HostPC o Đóng vai trị trạm Master mạng RS485 theo giao thức cho trước o Nhận liệu từ điểm đo bên o Cảnh báo, datalogger Ø Các điểm đo o Chuyển đổi tín hiệu vật lý mơi trường (t0, RH%) thành tín hiệu số o Truyền liệu lên trạm Master (cFP) o Hiển thị liệu đo THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2.1 Trạm chủ PAC-cFP.MS.01 Trên sở lựa chọn thiết bị NI vào mục đích đề tài ta chọn thiết bị trạm chủ (trong mơ hình tổng thể trạm điều khiển khu vực) dùng PAC-CompactFieldPoint NI cFP-2100 module mở rộng dành cho việc giao tiếp với thiết bị bên 2.1.1 cFP 2100 Khởi đầu cFP 2100 cần thành phần sau - Bộ điều khiển cFP2100 - Backplane, chọn slot Backplane - Phần cứng để gá (thanh Omega, …) - Các module cFP vào digital analog -Các khối kết nối (Connector Block) cáp để nối tín hiệu từ module với thiết bị bên - Nguồn chiều từ 11-30V - Cáp Ethernet 22 - Các phần mềm NI Field Point - Một Host PC cài đặt phần mềm NI Field Point 2.1.2 Phần mềm cFP Phần mềm cFP2100 bao gồm NI Measurement and Automation Explorer phần mềm driver dịch vụ dễ dàng tích hợp gói phần mềm ứng dụng Các phần mềm quản lý giao tiếp mức thấp, làm đơn giản hoá việc truy cập đầu vào module cFP Các phần mềm chạy Windows200, WinNT 4.0 Service Pack 6+, Window XP Các phần mềm bao gồm - MAX - LabVIEW Vis - LabWindows / CVI Functions - Measurement Studio instrument drivers - OPC server VI Logger support Các bước tiến hành cài đặt cFP + Cài đặt thành phần phần cứng, nối nguồn, nối cáp Ethernet tương ứng + Cài đặt phần mềm cFP driver, thông thường phần mềm kèm với Controller cFP 2100 + Kiểm tra phím DIP Controller để đảm bảo việc khởi động cài đặt tương ứng, lúc cần quan sát Led tình trạng POWER, STATUS Sau giây, STATUS led nhấp nháp ổn định báo hiệu cFP 2100 Controller sẵn sàng cấu hình + Sử dụng MAX để cấu hình cFP Ø Cài đặt địa IP Ø Cài đặt phần mềm dùng cho cFP controller Ø Lưu giữ cấu hình Ø Test thử đầu vào module I/O Ø Có thể cấu hình mặt nạ cho thành phần I/O module + Lưu giữ cấu hình vừa thiết lập MAX + Khởi động lại cFP 2100 controller + Thoát khỏi MAX + Sử dụng LabVIEW thao tác với cFP 2100 LabVIEW với cFP 2100 Khi cài đặt phần mềm cFP, thư viện Vis tạo Các hàm VI truy cập trực tiếo đến thành phần I/O thông qua MAX Người sử dụng dùng 23 hàm VI để truy nhập cFP2100 thông qua mạng Ethernet hay để chạy trình ứng dụng tương tác với cFP FIELD POINT OPC server cFP Controller 2100 Fieldpoint OPC Server tương thích với tiêu chuẩn OPC Data Access 2.0 OPC (OLE for Process Control) giao diện thiết bị chuẩn cơng nghiệp đưa tương thích thiết bị phần cứng trường ví dụ compact FieldPoint gói phần mềm ứng dụng OPC FieldPoint Server truy cập thành phần I/O cấu hình với MAX biến chúng thành thành phần OPC OPC client mạng.Vì thế, hai máy tính nối mạng với OPC client máy tính truy cập đến phần cứng cFP2100 kết nối OPC máy tính cịn lại Truyền thơng: Module mạng cFP 2100 cung cấp vài cách thức trao đổi chia sẻ liệu với hệ cFP, máy tính, thiết bị nối mạng khác Các phương pháp sử dụng nhiều Datasocket, serial Vis, TCP VIs, UDP VIs, Datasocket: phương pháp lập trình dựa TCP/IP, dùng để trao đổi liệu thời ứng dụng khác computer nhiều computer kết nối mạng Sử dụng Datasocket để thu thập liệu từ Datasocket server, Lookout hay ứng dụng DSC module liệu chia sẻ Publish Data Vis Datasocket sử dụng URL (uniform resource locators) để xác định đường dẫn liên kết với liệu Một URL chứa thành phần tách biệt: giao thức, địa mạng locator Người sử dụng quen với việc dùng URL thơng qua việc truy cập mạng Internet ví dụ http://www.ni.com/support/fieldpoint http giao thức mạng, www.ni.com địa mạng, support/fieldpoint locator * Thiết kế khối ghép nối mạng Các trạm điều khiển khu vực có khả giao tiếp với hostPC qua mạng Ethernet, việc trao đổi trạm điều khiển khu vực điểm đo (trạm thiết bị đầu cuối đo thông số môi trường) thực thông qua mạng dùng chuẩn truyền dẫn RS 485, số điểm đo mà trạm điều khiển khu vực quản lý 31 điểm đo - Trạm điều khiển khu vực truyền thông với hostPC thông qua mạng Ethernet Tốc độ truyền : 10 -100Mbps Giao thức TCP/IP Khoảng cách truyền cho phép lớn hai trạm: - Trạm điều khiển khu vực truyền thông với trạm thiết bị đo đầu cuối thông qua mạng chuẩn truyền RS485 24 Tốc độ truyền : 9,6kbps-1,5Mbps Khoảng cách truyền cho phép lớn mạng 1200m nói chung khoảng cách truyền phụ thuộc vào tốc độ truyền, Địa mạng lớn 31 Ở ta sử dụng trạm đầu cuối đo thông số môi trường nên trạm thiết bị đo Slave có điạ từ đến Do cấu trúc cFP 2100 khơng có cổng truyền chuẩn RS485 mà có chuẩn truyền RS232 nên để truyền thông ta sử dụng thêm biến đổi RS232/485 2.2 Thiết kế phần cứng trạm (thiết bị) đầu cuối đo thông số môi trường 2.2.1 Nhiệm vụ trạm đầu cuối - Đo thông số môi trường: nhiệt độ, độ ẩm - Xử lý tín hiệu hiển thị thông số đo - Truyền liệu trạm điều khiển khu vực cFP 2100 2.2.2 Thiết kế trạm đầu cuối Sơ đồ khối trạm đầu cuối Nguồn Sensor CĐCH ADC Vi Xử Lý Hiển thị Truyền th«ng Hình Sơ đồ khối điểm đo · Thơng số mạch đo: Nguồn nuôi: AC 12V thông qua IC7805 cung cấp nguồn 5V cho hoạt động mạch đo Dải đo nhiệt độ: 00C ¸ 1100C Dải đo độ ẩm: 10% - 95% Độ xác: ±0.1% Thiết lập chuẩn đơn giản (loại ảnh hưởng bên ngồi: nhiệt độ, độ ẩm khơng khí…) Thời gian đo nhanh Kích thước (Dài x Rộng) : 112 x 87 (mm) 25 Mạch đo có khả trao đổi liệu với thiết bị có cổng truyền thơng RS485 (4 dây) hay cổng RS232 Nếu cổng RS232 cần phải có chuyển đổi RS485/RS232 Các mạch đo phối ghép hệ thống cho phép thu thập thông số mơi trường nhiều vị trí khác nhau, số điểm đo hệ thống lên tới 32 điểm (vì mạch có khả ghép nối mạng RS485) 2.3 Thiết kế phần cứng hiển thị (Displayer) thông số môi trường Bộ hiển thị đặt trạm khu vực nối vào mạng RS485 với trạm đo mơ hình đây: cFP 2100 RS485 Điểm đo … Điểm đo Displayer THIẾT KẾ PHẦN MỀM Phần mềm hệ thống hiểu gồm phần mềm quản lý, điều khiển hệ thống phần mềm truyền thông 3.1 Thiết kế giao thức truyền thông 3.1.1 Giao thức mạng RS485 Giao thức truyền thông mạng RS485 xây dựng phép trao đổi liệu cFP 2100 (gọi Master) trạm (thiết bị) đầu cuối đo thông số môi trường(gọi Slave i) · Số lượng trạm Master: 01 trạm · Số lượng trạm Slave lớn 32 trạm Ở ta có trạm đầu cuối đo thông số môi trường displayer Ký hiệu Slave i (i địa trạm mạng RS485) · Số lượng kênh đo Slave: ta dùng hai kênh đo nhiệt độ độ ẩm v Các thành phần hệ thống mạng · Đường truyền RS485 26 · Tốc độ truyền: 9600 bps ¸ 115200bps (mặc định 9600bps) · Địa trạm Slave từ đến 31 Ở ta dùng điểm đo có địa từ đến displayer có địa v Cấu trúc tin Master gửi: Header SADD Opcode Data Data Data 58 CRC CRC Stop v Cấu trúc tin Slave gửi: Header SADD ACK/NACK Data1 Data2 Data 58 CRC CRC Stop Quy trình thực dịch vụ giao thức Việc trao đổi liệu Master Slave thực thơng qua dịch vụ Quy trình thực mô tả qua bước sau: Bước 1: Master gửi dịch vụ cần thực thi xuống vùng Master_Buffer_Out_i nhằm yêu cầu Slave i thực thi dịch vụ chuyển sang chế độ chờ kết thực dịch vụ đáp trả từ Slave i Bước 2: Mạng RS485 chế độ trao đổi liệu tự động chuyển liệu từ vùng Master_Buffer_Out_i xuống vùng Slave_Buffer_In_i Bước 3: Slave i phát nhiệm vụ tiến hành kiểm tra tính đúng, sai gói tin Nếu Slave i nhanh chóng thực yêu cầu nhiệm vụ kết thực đưa vùng Slave_Buffer_Out_i Bước 4: Mạng RS485 chế độ trao đổi liệu tự động chuyển liệu từ vùng Slave_Buffer_Out_i xuống vùng Master_Buffer_In_i Bước 5: Master xử lý kết vừa nhận từ slave i, xoá dịch vụ yêu cầu phát dịch vụ 3.1.2 Giao thức mạng Ethernet Mạng Ethernet ngày quan tâm phát triển cho ứng dụng đo lường, điều khiển giám sát Cùng với xâm nhập máy tính vào nhà máy công nghiệp, Ethernet hay mạng LAN ứng dụng ngày nhiều nhà máy, đóng vai trò cấp điều khiển điều khiển giám sát Trong hệ thống PXI đóng vai trị Host PC làm nhiệm vụ cấu hình cho thiết bị bên (cFP2100), thu thập quản lý liệu từ trạm bên thông qua DSC Module, cài đặt cấu hình chung cho tồn mạng v Các đặc tính kỹ thuật mạng Ethernet 27 · Tốc độ 10 Mbps (Legacy Ethernet), 100 Mbps (Fast Ethernet), Gbps (Gigabit Ethernet) 10 Gbps (10 Gigabit Ethernet) Với thiết bị RealTime NI, tốc độ mạng Ethernet 100Mbps đảm bảo thời gian q trình điều khiển cơng nghiệp · Mơi trường truyền dẫn theo cáp Ethernet tiêu chuẩn · Truy cập đường truyền thông qua TCP/IP, UDP, shared variable, published data dùng datasocket, look out Ở đề tài chọn shared variable để truyền thông cFP2100 với Host PC · Tín hiệu mã hố sử dụng phương pháp mã hóa Manchester · Dữ liệu truyền mạng theo gói tin Độ dài gói tối thiểu 64 byte tối đa 1518 byte · Các trạm chủ trạm tớ bên có địa IP, nhận diện thiết bị thông qua địa IP riêng chúng Người quản lý mạng truyền thông hệ thống quy định địa IP trạm, tránh gây xung đột mạng · Các thiết bị mạng truyền thông với tuân theo giao thức chọn lựa Host PC 3.2 Thiết kế phần mềm trạm thiết bị đầu cuối đo thông số môi trường Phần mềm xây dựng trình biên dịch CodeVisionAVR C Compiler v Chức nhiệm vụ phần mềm điểm đo Đọc xử lý liệu từ kênh đo Nhận, kiểm tra tin truyền liệu theo dịch vụ yêu cầu từ trạm Master cFP2100 Các đầu đo giao tiếp với trạm Master thông qua mạng RS485 Mạng RS485 bốn dây, hai dây truyền hai dây nhận v Phần mềm sử dụng cho vi điều khiển 28 Bắt đầu Đọc giá trị kênh đo Hiển thị lên Led Chuyển đổi liệu đo thành byte Nhận kiểm tra tin gửi từ Master Bản tin có hay khơng? Sai Đúng Gửi tin đáp trả từ Master Kết thúc Hình Lưu đồ thuật toán cho điểm đo Slave i 3.3 Thiết kế phần mềm cho hiển thị Phần mềm xây dựng trình dịch CodeVisionAVR C Compiler v Chức nhiệm vụ phần mềm hiển thị Nhận liệu truyền xuống từ Master cFP2100 Kiểm tra tin nhận từ Master cFP2100 29 Xử lý liệu nhận hiển thị giá trị đo lên Led 3.4 Thiết kế phần mềm cho trạm điều khiển khu vực host PC Phần mềm để thiết kế cho trạm điều khiển khu vực dựa vào phần mềm LabVIEW, RealTime Module DSC Module NI Phần mềm trạm điều khiển khu vực phải đảm bảo chức sau: · Quản lý tồn thơng tin cấu hình tồn hệ thống như: số lượng trạm đầu cuối, giám sát liệu thu từ trạm đầu cuối, thời gian lưu liệu, · Lập trình trình ứng dụng cho thiết bị realtime (cFP) · Thiết kế giao diện người sử dụng HMI · Quản lý mạng kết nối thiết bị hệ thống, giao thức truyền liệu đảm bảo an ninh chung cho tồn mạng · Giám sát thơng số mơi trường từ điểm đo gửi lên · Tự động giám sát, cảnh báo (warning), báo động (alarming) có cố xảy trạm thiết bị đo, đầu đo (như không kết nối được, lỗi đường truyền, ) 3.5 Giao diện phần mềm thu thập thông số môi trường dựa LabVIEW Ø Giao diện q Cấu hình mạng q Đặt thông số liên quan đến cảnh báo, ngưỡng cảnh báo, thời gian trao đổi liệu với Slave… q Báo cáo thông số điểm đo q Các in ấn Ø Giao diện cài đặt cấu hình q q q Chế độ log in cho người quản lý Cài đặt ngưỡng cảnh báo Cài đặt liệu lưu trữ Ø Giao diện báo cáo điểm đo: dùng để giám sát điểm đo, xem giá trị đo dạng bảng biểu dạng đồ thị, xem xét thời gian xảy lỗi cảnh báo 30 CHƯƠNG IV THỬ NGHIỆM MỤC TIÊU THỬ NGHIỆM Mục tiêu thử nghiệm - Đánh giá dộ tin cậy, hoạt động ổn định toàn hệ thống thiết bị phần cứng chương trình phần mềm nối ghép thành hệ thống hoạt động liên tục, dài ngày - Kiểm tra, hoàn thiện lại thiết kế chức phần cứng, phần mềm toàn hệ thống - Làm sở để đánh giá, hồn thiện trước đưa hệ thống vào ứng dụng thực tế THỬ NGHIỆM TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM 2.1 Cấu hình hệ thống thử nghiệm Thử nghiệm phịng thí nghiệm với cấu hình tồn thành phần hệ thống có gồm: -01 máy tính HostPC -01 trạm PAC-cFP.MS.01 -05 trạm thiết bị đo có địa vật lý từ đến -01 hiển thị 2.2 Nội dung thử nghiệm · · · · · Thu thập số liệu mơi trường phịng thí nghiệm Thử nghiệm, kiểm tra toàn dịch vụ giao thức truyền thông chọn Thử nghiệm chức phần mềm quản lý, điều hành Hiệu chỉnh điểm đo theo thiết bị chuẩn Tạo số liệu giả định để kiểm tra tính cảnh báo, điều khiển hệ thống 2.3 Tiến hành thử nghiệm 2.3.1 Kết nối hệ thống thủ nghiệm phịng thí nghiệm Hệ thống kết nối với theo sơ đồ sau: 31 HostPC Ethernet PAC.cFP.MS.01 RS485 Điểm đo Điểm đo Điểm đo Điểm đo Điểm đo Bộ hiển thị Hình Mơ hình thử hệ thống thử nghiệm phịng thí nghiệm 2.3.2 Kết thử nghiệm mơ phịng thí nghiệm Hệ thống thử nghiệm kết nối phịng thí nghiệm Cơng ty phát triển Cơng nghệ Điện tử, Tự động hố từ ngày 15/10/2007 Sau lắp đặt, chạy thử chỉnh định thành phần phần cứng phần mềm, hệ thống thức đưa vào làm việc từ ngày 1/11/2007 hoạt động liên tục cho (trừ thời gian vận chuyển thử nghiệm thực tế) Sau số kết thống kê trình thử nghiệm: - Tồn hệ thống chạy liên tục 24/24h nhiều ngày - Các báo thu thập theo ngày Một số báo cáo số liệu trình thử nghiệm trình bày phần phụ lục 2.3.2 Đánh giá kết thử nghiệm phịng thí nghiệm - Hệ thống hoạt động ổn định, trình trao đổi số liệu sau hiệu chỉnh mạch truyền thông hoạt động tốt - Các chức phần mềm quản lý, lưu trữ số liệu hoạt động mục tiêu yêu cầu thiết kế - Hệ thống cảnh báo tốt có thơng số nằm ngồi phạm vi vho phép Tuy nhiên q trình thử nghiệm thấy có số vấn đề cần phải lưu ý đưa xuống thử nghiệm thực tế: - Khả chống nhiễu đường dây hệ thống Điều khắc phục cách sử dụng cáp quang chuyển đổi quang điện (nếu cần thiết) 32 - Sử dụng máy tính cấu hình thấp nên thời gian khởi động lâu cỡ từ đến phút Điều khắc phục cách sử dụng máy tính cấu hình cao Tuy thời gian khởi động lâu số liệu truyền đảm bảo tính ổn định tin cậy Kết cho thấy hệ thống hoàn toàn đưa thử nghiệm thực tế THỬ NGHIỆM THỰC TẾ 3.1 Cấu hình hệ thống thử nghiệm Thử nghiệm thực tế hệ thống gồm có: -01 máy tính HostPC (chỉ dùng ngày đầu) -01 trạm PAC-cFP.MS.01 -02 trạm thiết bị đo có địa vật lý từ đến -01 hiển thị 3.2 Nội dung thử nghiệm · · · · Thu thập số liệu môi trường thực tế Thử nghiệm, kiểm tra tồn dịch vụ giao thức truyền thơng chọn Thử nghiệm chức phần mềm quản lý, điều hành Để cho người sử dụng tự vận hành theo dõi hệ thống đưa nhận xét, đánh giá giúp cho nhóm thực đề tài có sở hồn thiện thiết kế 3.3 Tiến hành thử nghiệm 3.3.1 Kết nối hệ thống thử nghiệm Hệ thống kết nối với theo sơ đồ sau: HostPC Ethernet PAC.cFP.MS.01 RS485 Điểm đo Điểm đo Hình Mơ hình thử hệ thống thử nghiệm thực tế 33 3.3.2 Kết thử nghiệm thực tế Hệ thống thử nghiệm lắp đạt thử nghiệm Xí nghiệp Than Thành Cơng thuộc Cơng ty than Hạ Long từ ngày 25/11/2007 Sau lắp đặt, chạy thử chỉnh định thành phần phần cứng phần mềm, hệ thống thức đưa vào làm việc từ ngày 27/11/2007 hoạt động liên tục ngày 10/12/2007 Sau số kết thống kê trình thử nghiệm: - Hệ thống chạy liên tục 24/24h suốt thời gian thử nghiệm - Trong suốt thời gian thử nghiệm khơng có trường hợp báo động xẩy Một số báo cáo số liệu trình thử nghiệm trình bày phần phụ lục 3.3.2 Đánh giá kết thử nghiệm - Hệ thống hoạt động ổn định, trình trao đổi số liệu sau hiệu chỉnh mạch truyền thông hoạt động tốt - Các chức phần mềm quản lý, lưu trữ số liệu hoạt động mục tiêu yêu cầu thiết kế - Người sử dụng có nhận xét tốt hệ thống (xem phần phụ lục) Đánh giá chung Sau thử nghiệm hệ thống phịng thí nghiệm thực tế, nhóm thực đề tài có số đánh sau Hệ thống thực tốt chức theo thiết kế Hệ thống làm việc ổn định điều kiện môi trường ngành than Việc thiết kế, xây dựng phần mềm sở PAC LabVIEW thuận tiện, dễ thực hiện, tiết kiệm nhiều thời gian, rút ngắn thời gian tạo mẫu Hệ thống thích hợp cho ứng dụng cơng nghiệp, đặc biệt nơi có điều kiện mơi trường khắc nghiệt Hiện PAC có giá thành cao (so với PLC) nhiên so với Hệ thống chuyên dụng nước ngồi giá chấp nhận Do cần nghiên cứu làm chủ thiết bị PAC LabVIEW để sớm đưa vào ứng dụng thực tế hệ thống điều khiển dùng PAC 34 KẾT LUẬN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC - Đã tìm hiểu nắm kiến thức phần cứng PAC nói chung đặc biệt PAC-CompactFieldPoint NI cFP-2100 - Đã tìm hiểu bước đầu ứng dụng phần mềm LabVIEW để thiết kế hệ thống đo lường điều khiển - Đã thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển công nghiệp sở PAC - Đã hoàn thành đầy đủ nội dung theo đăng ký tiến độ Các sản phẩm cụ thể đề tài là: + 01 Trạm điều khiển điều khiển khu vực dùng PAC cFP-2100 + 05 thiết bị đầu cuối đo thông số môi trường + 01 Hệ thống đo lường, điều khiển kết nối đầy đủ hoạt động chức + Sử dụng phần mềm LabVIEW thiết bị đo lường ảo (VI) + Báo cáo tổng kết đầy đủ, đạt yêu cầu khoa học HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO - - Tiếp tục nghiên cứu để làm chủ công nghệ PAC, đặc biệt phần thiết bị PAC-PXI chuẩn bị trang bị Làm chủ phần mềm LabVIEW để ứng dụng thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển công nghiệp (các hệ SCADA) Ứng dụng PAC-PXI làm trạm chủ cho Hệ thống SCADA phục vụ an toàn lao động khai thác hầm lò - Dự án cấp Nhà nước mà Công ty TNHH1TV phát triển công nghệ Điện tử, Tự động hố chủ trì thực giai đoạn 2007-2009 Nghiên cứu, ứng dụng tính năng, thiết bị trội khác PAC vào thực tế Cuối cùng, xin chân thành cám ơn Bộ Công Thương, Vụ KHCN, VIELINA, đơn vị cá nhân giúp đỡ chúng tơi q trình thực đề tài 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Truyện NT (2005): PAC-Thiết bị điều khiển tự động hoá hệ khả ứng dụng Hội nghi Tự động hố tồn quốc lần thứ – VICA6 [2] Frank N (2005): Programmable Automation Controllers (PAC) as new concept in Industrial Automation – Architechture, Function and Applications.Hội nghi Tự động hố tồn quốc lần thứ – VICA6 [3] ARC Advisory Group, Inc., (2002) Programmable Automation Controller: A new Class of Systems Have Emerged, Information Bulletin [4] National Instruments, Inc., (2005) PACs for Industrial Control, the Future of Control, White paper [5] CRAIG R (2002), Programmable Automation Controller: A new class of systems have emerged http://www.arcweb.com/Newsmag/auto/pac120502.asp [6] CRAIG R (2002), Industrial Controls evolve to Programmable Automation Controllers ARC Insight 20/11/2002 [7] STEPHAN A (2004), Implement Advanced Control Schemes with Programmable Automation Controller Seminar on National Instruments, Germany 11/2004 [8] http://www.ni.com/pac/ [9] http://www.geindustrial.com/ 36