Báo cáo bài tập lớn môn học đề tài giao thức truyền thông công nghiệp profinet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ *** BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: GIAO THỨC TRUYỀN THƠNG CƠNG NGHIỆP PROFINET Mơn học : Kiến trúc máy tính mạng truyền thơng cơng nghiệp Giảng viên : ThS Đặng Anh Việt Nhóm thực : Nhóm Danh sách thành viên nhóm: Vũ Văn Quyết 21020873 Lại Văn Thắng 21020501 Vương Thanh Tùng 21020884 MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ NỘI DUNG .5 PHẦN I ETHERNET CƠNG NGHIỆP LÀ GÌ? PHẦN II CƠ BẢN VỀ PROFINET II Khái niệm II Cáp II Cấu hình mạng II Các lớp tuân thủ .8 II Kênh truyền thông II Thành phần mạng Profinet .9 PHẦN III SO SÁNH PROFINET VÀ PROFIBUS 10 PHẦN IV CÁC TÍNH NĂNG CỦA PROFINET 10 IV Tốc độ, tính xác định 10 IV Wireless 11 IV Chẩn đoán 11 IV Tích hợp theo chiều dọc 12 IV I-Device 12 IV PROFIenergy 13 IV PROFIsafe 13 IV Bảo mật 13 IV Thay thiết bị đơn giản 14 IV.10.Tự động hóa quy trình 14 PHẦN V CHUẨN GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG PROFINET ĐỐI VỚI PLC SIEMENS 15 V Giao tiếp S7 Communication 15 V Giao tiếp giao thức mở OUC 16 V.3 Truyền thông Profinet PLC SIEMENS S7 1200 (Sử dụng lệnh Put/Get) 17 KẾT LUẬN 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 ĐẶT VẤN ĐỀ Nếu nói tự động hóa cơng nghiệp, nghĩ hệ thống Fieldbus trước, chẳng hạn Profibus, Interbus, DeviceNet Canopen, v.v Việc sử dụng rộng rãi công nghệ FieldBus thiết lập tự động hóa cơng nghiệp vài năm qua Một lợi quan trọng hệ thống FieldBus di chuyển từ hệ thống tự động hóa trung tâm sang hệ thống phi tập trung Nếu nói giao tiếp máy tính, bạn quen thuộc với mạng Data Transferring chuyên sâu Internet Sự phát triển loại hệ thống chuyển giao giao tiếp tăng lên nhanh chóng Hầu hết thơng tin liên lạc Internet dựa tiêu chuẩn Ethernet đưa IEEE 802.3 Một tính chất quan trọng Ethernet cấu trúc đơn giản Nó thực dễ dàng phổ biến Profinet (Process Fields Net) tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp để truyền liệu qua Ethernet công nghiệp , thiết kế để thu thập liệu điều khiển thiết bị hệ thống công nghiệp, với mạnh đặc biệt việc cung cấp liệu theo hạn chế thời gian Tức trao đổi liệu quy trình với máy móc trước thay sử dụng hệ thống fieldbus, bạn sử dụng Ethernet làm phương tiện giao tiếp Đề tài nhóm tìm hiểu Giao thức truyền thơng cơng nghiệp Profinet bao gồm nội dung sau: Tìm hiểu Profinet: khái niệm, cáp, cấu hình mạng, kênh truyền thông, thành phần mạng Profinet, … So sánh Porofinet Profibus Đưa tính Profinet: chẩn đốn, bảo mật, an tồn, tối ưu, … Nêu số chuẩn giao thức truyền thông Profinet PLC Siemens: nêu ứng dụng thực mô Tia Portal NỘI DUNG PHẦN I ETHERNET CƠNG NGHIỆP LÀ GÌ? Ethernet phương tiện truyền thông sử dụng rộng rãi giới để truyền liệu thiết bị Có thể hiểu đơn giản Ethernet + TCP/IP = Internet Ethernet nằm lớp số mơ hình OSI Ngày nay, Ethernet khơng thích hợp cho gia đình, văn phịng mà cịn sử dụng cơng nghiệp Tuy nhiên, môi trường công nghiệp khác với nhà văn phịng Các nhà máy u cầu thơng tin liên lạc xác chuẩn xác thời gian chi phí vận hành cao yêu cầu suất cao Từ hình thành Ethernet Cơng nghiệp (Industrial Ethernet) PROFINET tiêu chuẩn mở sáng tạo cho tự động hóa cơng nghiệp dựa Ethernet cơng nghiệp, tức bạn trao đổi liệu quy trình với máy móc trước thay sử dụng hệ thống fieldbus, bạn sử dụng Ethernet làm phương tiện giao tiếp PHẦN II CƠ BẢN VỀ PROFINET II Khái niệm Profinet giao thức truyền thông công nghiệp tiêu chuẩn sử dụng tồn giới Tương thích 100% với Ethernet theo định nghĩa tiêu chuẩn 1EEE (IEEE 802.3) Profinet (Process Fields Net) tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp để truyền liệu qua Ethernet công nghiệp, thiết kế để thu thập liệu điều khiển thiết bị hệ thống công nghiệp, với mạnh đặc biệt việc cung cấp liệu theo hạn chế thời gian Tiêu chuẩn trì hỗ trợ Profibus and Profinet International, bắt đầu giới thiệu từ năm 2000 đến năm 2021, Profinet Ethernet công nghiệp áp dụng phổ biến giới với 40 triệu ode cài đặt Hình Biểu đồ thể mức độ phổ biến Profinet II Cáp Cáp tiêu chuẩn công nghiệp phải chịu áp lực học cực đoan khu vực sản xuất Về bản, bạn có loại cáp, cáp đồng cáp có cáp quang Cáp Profinet dễ dàng nhận biết vỏ bọc màu xanh Để truyền tín hiệu, hai dây xoắn lại với cặp Đối với duplex đầy đủ, bạn cần bốn dây Do đó, cáp mạng cơng nghiệp có dây (cáp quad) Mặc dù số trường hợp, cáp Ethernet tiêu chuẩn sử dụng để kết nối hai thiết bị Profinet, cáp Profinet thức nên sử dụng chúng có lớp bảo vệ chắn thiết kế để hoạt động tốt môi trường công nghiệp khắc nghiệt Giao diện vật lý sử dụng cho Profinet giắc cắm Ethernet RJ45 tiêu chuẩn Ngoài đầu nối M12 sử dụng mơi trường tiếp xúc cao II Cấu hình mạng II Các lớp tuân thủ Các ứng dụng với Profinet chia theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 617842 thành bốn lớp tuân thủ: A, B, C, D Chức lớp tuân thủ: II Kênh truyền thông PROFINET sử dụng ba kênh để giao tiếp với lớp hiệu suất khác nhau: NRT, RT IRT None Real Time NRT (Không theo thời gian thực) Sử dụng TCP/IP UDP/IP tiêu chuẩn để truyền gói liệu Từ người giám sát Profinet truy cập thiết bị từ khác ranh giới định tuyến chí qua Internet Real Time RT (theo thời gian thực) Độ trễ chập chờn tin xấu giao thức tự động hóa cơng nghiệp “thời gian thực” Vì Profinet sử dụng kênh RT để giảm hai giá trị Kênh RT bỏ qua bước đóng gói lớp Mạng, Truyền tải Phiên Điều có nghĩa khung hình trao đổi qua kênh RT có độ trễ độ chập chờn thấp, có nhược điểm thực khơng có địa IP nên khung RT khơng thể định tuyến mạng LAN Isochronous Real Time IRT (thời gian thực không đồng bộ, không liên tục) IRT kế thừa từ RT cải tiến cách loại bỏ chậm trễ cách thêm quy tắc sử dụng để chuyển đổi lưu lượng Ethernet tạo quy tắc đặc biệt cho lưu lượng Profinet Thời gian chu kỳ nhanh: 250μs (4,000 mẫu giây) Với số tịch hợp nhất, mạng IRT hoạt động với chu kỳ thấp tới 31.25μs (32000 mẫu giây) II Thành phần mạng Profinet Devices Là đơn vị độc lập thiết kế để truyền thông tin trực tiếp tới Bộ điều khiển theo chu kỳ Gửi số liệu báo động chẩn đoán cho Supervisor Controllers Là tổng hợp liệu gửi nhiều thiết bị Thu thập thơng tin tình trạng thiết bị, thu nhận thông báo cảnh báo cung cấp tất thơng tin cho người dùng cuối Bộ điều khiển thường PLC Supervisor Tương tự Bộ điều khiển nhiên Supervisor khơng có quyền truy cập vào liệu thiết bị Đọc thơng tin chẩn đốn từ thiết bị, điều khiển hiển thị cho phù hợp, gán địa IP khắc phục cố kết nối mạng, Đây thiết bị lập trình (PD), máy tính cá nhân (PC), HMI, PHẦN III SO SÁNH PROFINET VÀ PROFIBUS PHẦN IV CÁC TÍNH NĂNG CỦA PROFINET IV Tốc độ, tính xác định PROFINET đạt yêu cầu tốc độ tính xác định cách sử dụng tiêu 10 chuẩn Ethernet dựa vào phương pháp sau: - Sử dụng TCP/IP thích hợp - Bỏ qua TCP/IP không cần thiết - Dự trữ băng thơng để có hiệu suất cao lập lịch lưu lượng để đảm bảo nhu cầu kiểm sốt chuyển động - Chuyển tiếp nhanh, đóng gói liệu động phân mảnh để đạt thời gian chu kỳ ngắn IV Wireless Là phần đặc điểm kỹ thuật PROFINET cho hai tiêu chuẩn không dây thiết lập tốt: wifi, bluetooth Việc sử dụng tiêu chuẩn công nghệ không dây tiêu chuẩn hóa khơng có hạn chế so với hệ thống cáp thơng thường Ngồi PI tích cực giúp tiêu chuẩn hóa giải pháp mạng khơng dây cho ứng dụng cơng nghiệp lĩnh vực quy trình tự động hóa nhà máy IV Chẩn đốn Khả xử lý cố hiệu quả, PROFINET cung cấp khả chẩn đoán mức độ chưa có, cục từ xa cách sử dụng hình tiêu chuẩn hóa Tổng quan chẩn đoán cung cấp mức độ chi tiết theo nhu cầu bạn, hiển thị thiết bị, mô-đun, kênh hoạt động gián đoạn Các lỗi thừa nhận chức I&M (Nhận dạng Bảo trì) PROFINET hỗ trợ đồng thời Các máy chủ web tích hợp tích hợp thiết bị tự động hóa điều có nghĩa trình duyệt Internet tiêu chuẩn sử dụng để truy cập hình chẩn đốn Các kỹ sư khơng thiết phải có mặt chỗ để chẩn đốn lỗi dễ dàng truy cập vào mạng nhà máy qua mạng nội chí internet Các tin nhắn tự động gửi SMS e-mail đến nhân viên kỹ thuật Chẩn đoán cáp đơn giản Các hình tiêu chuẩn hóa để cung cấp chế độ xem cấu trúc liên kết xác mạng để xác định vị trí lỗi nhanh chóng Có thể sử dụng cơng cụ Ethernet tiêu chuẩn SNMP Ethereal Ngoài cịn có quyền truy cập dễ dàng vào cơng cụ dành riêng cho nhà cung 11 cấp cho thiết bị phức tạp Ví dụ cơng cụ chẩn đoán với tổng quan cấu trúc liên kết IV Tích hợp theo chiều dọc PROFINET hồn tồn tương thích với Ethernet tiêu chuẩn, cung cấp hiệu suất TCP/IP yêu cầu Do đó, dễ dàng mở rộng để phù hợp với nhu cầu hầu hết sở sản xuất quy mơ Ngồi ra, mạng PROFINET dễ dàng tích hợp với mạng Ethernet có hệ thống doanh nghiệp cấp cao bao gồm MES ERP (Hệ thống Thực thi Sản xuất Hoạch định Nguồn lực Doanh nghiệp) PROFINET tiếp cận toàn doanh nghiệp Với PROFINET, liệu sản xuất cung cấp cho nhân viên giám sát thời gian thực từ hầu hết nơi doanh nghiệp Điều cung cấp khả quản lý nhà máy, kỹ tài sản tốt dẫn đến cải thiện việc lập kế hoạch sản xuất xử lý đơn hàng PROFINET chí cung cấp kết nối Internet đầy đủ, cho phép doanh nghiệp toàn cầu hoạt động hiệu toàn cầu IV I-Device PROFINET xử lý I/O giống với PROFIBUS Một công cụ kỹ thuật liên kết với điều khiển lấy thông tin Thiết bị IO từ tệp GSD giống PROFIBUS Sau dự án cấu hình phần mềm, tải xuống điều khiển Sau đó, điều khiển giao tiếp với Thiết bị I/O Thiết bị I/O 12 cấu trúc phân cấp Thiết bị, Mô-đun Kênh Đầu vào Đầu trao đổi điều khiển Thiết bị I/O dạng liệu theo chu kỳ Bộ điều khiển đặt thời gian chu kỳ cập nhật Thông tin bổ sung, chẳng hạn liệu chẩn đốn khơng u cầu thường xun thông báo dạng liệu theo chu kỳ Đầu vào đầu trao đổi điều khiển thiết bị I/O: liệu theo chu kỳ IV PROFIenergy Các điều khiển tự động hóa mạng PROFINET xác định thiết bị cuối chuyển sang chế độ ' ngủ' TẮT để tiết kiệm lượng sử dụng thời gian: - Thời gian nghỉ ngắn - ví dụ thay đổi ăn trưa thay đổi ca làm việc - Kế hoạch nghỉ dài - ví dụ đêm cuối tuần - Tạm dừng kế hoạch - ví dụ: cố, bảo trì nâng cấp IV PROFIsafe PROFIsafe lớp phần mềm bổ sung cung cấp chức an toàn qua bus mạng PROFINET PROFIsafe đảm nhận phần an toàn chức thông tin liên lạc Hệ thống chuyển sang trạng thái an tồn trường hợp có lỗi PROFIsafe thiết kế để hoạt động độc lập với kênh truyền sở, cho dù kênh dây đồng, sợi quang, không dây hay bảng nối đa IV Bảo mật 13 Đảm bảo tính tồn vẹn hệ thống Khái niệm bảo mật CNTT cho Profinet giả định cách tiếp cận chuyên sâu phòng thủ Theo cách tiếp cận này, nhà máy sản xuất bảo vệ chống lại công, đặc biệt từ bên ngoài, vành đai nhiều cấp, bao gồm tường lửa Ngồi ra, bảo vệ thêm bên nhà máy cách chia thành khu vực cách sử dụng tường lửa Ngoài ra, kiểm tra thành phần bảo mật đảm bảo thành phần Profinet có khả chống tải mức độ xác định Khái niệm hỗ trợ biện pháp tổ chức nhà máy sản xuất khuôn khổ hệ thống quản lý an ninh theo ISO 27001 IV Thay thiết bị đơn giản Tính thay thiết bị đơn giản cho phép người dùng thay thiết bị PROFINET cách nhanh chóng dễ dàng Nếu thiết bị bị lỗi, thiết bị bị lỗi thay thiết bị mà không cần cấu hình người dùng Khi người dùng thay thiết bị bị lỗi cho thiết bị theo cách thủ công, điều khiển phát thiết bị định địa IP, tên cấu hình liên quan tương ứng Khơng cần sử dụng cơng cụ kỹ thuật cấu hình lại mạng Có ba yêu cầu để sử dụng tính này: - Thiết bị thay phải giống với thiết bị thay - Thiết bị thay phải có tên trống - Bộ điều khiển phải hỗ trợ thay thiết bị đơn giản IV 10 Tự động hóa quy trình PROFINET cung cấp đường trục tốc độ cao, băng thông lớn cho PROFIBUS PA (và mạng fieldbus khác) tương tự cách mà PROFIBUS DP làm Tuy nhiên, khác chút cách sử dụng giao diện 'proxy' - mô-đun nằm PROFINET bus bên Đường dẫn liệu qua proxy hoàn toàn suốt, thiết bị fieldbus dường kết nối trực tiếp với điều khiển PROFINET dạng IO từ xa Điều làm cho việc cấu hình, bảo trì quản lý hệ thống tự động hóa trở nên đơn giản từ phận doanh nghiệp Proxy tồn cho PROFIBUS PA cho nhiều công nghệ bus khác bao gồm Foundation Fieldbus WirelessHART Ưu điểm lớn phương pháp proxy mạng trường thay nâng cấp nhà máy lên PROFINET 14 Hơn nữa, đường trục PROFINET sử dụng để kết nối thiết bị trường khác thường tìm thấy ứng dụng quy trình - ví dụ: ổ đĩa IO rời Vì hầu hết nhà máy quy trình 'hỗn hợp' (chúng bao gồm yếu tố tự động hóa q trình riêng biệt) nên cần mạng - PROFINET - để bao phủ toàn nhà máy Bốn nhu cầu bổ sung quan trọng q trình tự động hóa PROFINET hỗ trợ: - Cấu hình Chạy (CiR): Khả thực thay đổi chương trình ứng dụng mà không cần dùng điều khiển - Đồng thời gian / Dấu thời gian: Khả ghi lại hành động, cảnh báo thông báo trạng thái vào chuỗi kiện - Tích hợp Fieldbus: Bảo vệ đầu tư thơng qua việc tích hợp đơn vị nhà máy sử dụng proxy - Dự phòng mở rộng: PROFINET có dự phịng phương tiện cần hỗ trợ dự phòng hệ thống cho ứng dụng quy trình PHẦN V CHUẨN GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG PROFINET ĐỐI VỚI PLC SIEMENS V Giao tiếp S7 Communication S7 communication kiểu kết nối hỗ trợ kết nối truyền nhận tín hiệu hay nhiều thiết bị hãng Siemens thông qua Profinet Profibus Với kiểu kết nối Siemens đưa tập lệnh ghi đọc liệu là: - PUT/GET - USEND / URCV - BSEND / BRCV 15 Dung lượng liệu S7 Communication V Giao tiếp giao thức mở OUC Truyền thông người dùng mở - Open User Communication hỗ trợ chuẩn truyền thông: TCP, ISO on TCP UDP Sử dụng tập lệnh TSEND_C, TRCV_C TCON để truyền nhận liệu cho mạng Profinet Khả giao tiếp OUC Communication Dung lượng liệu OUC Communication 16 V Truyền thông Profinet PLC SIEMENS S7 1200 (Sử dụng lệnh Put/Get) Sử dụng PLC Siemens S7 1200, mô truyền thông PLC qua phần mềm Tia Portal PLC Sim - Server: S7 1200 CPU 1214 DC/DC/DC - Client: S7 1200 CPU 1214 AC/DC/RLY ❖ Cấu hình kết nối mạng logic CPU Trong cổng “Devices and Networks”, sử dụng “Network view” để tạo kết nối mạng thiết bị đề án Để tạo kết nối PROFINET, lựa chọn hộp màu xanh (PROFINET) PLC Kéo đường đến hộp PROFINET PLC thứ hai Thả chuột kết nối PROFINET nối 17 ❖ Khởi tạo khối Data blocks cho Client Server Client - Send_Data_Server: gửi liệu từ Client lên Server - Recv_Data_Server: nhận liệu từ Server Server - Send_Data_Client: gửi liệu xuống Client - Recv_Data_Client: nhận liệu từ Client Chương trình điều khiển viết khối OB1 nằm PLC Server, thực chương trình ❖ Sử dụng hàm PUT để ghi liệu vào Client 18 - ID: cấu hình đường truyền - ADDR_1: địa liệu Client dùng để nhận liệu từ Server (Recv_Data_Client) - SD_1: địa liệu Server dùng để gửi xuống Client (Send_Data_Client) - ERROR: lỗi đường truyền nhận - STATUS: trạng thái đường truyền - DONE(PUT): truyền liệu xong thay đổi trạng thái từ lên ❖ Sử dụng hàm GET để đọc liệu từ Client - ID: cấu hình đường truyền - ADDR_1: địa liệu Client dùng để gửi lên Server (Send_Data_Server) - RD_1: địa liệu Server dùng để nhận liệu từ Client (Recv_Data_Client) - ERROR: lỗi đường truyền nhận - STATUS: trạng thái đường truyền 19 - NDR (GET): nhận liệu xong thay đổi trạng thái từ lên ❖ Cấu hình liệu truyền Put/Get Sử dụng khối SR (Set/Reset): để tự Reset đọc/ghi theo thời gian thực - Khối SR “PUT_DB”.REQ truyền liệu Reset xuất tín hiệu lỗi (“PUT_DB” ERROR) hồn thành (“PUT_DB”.DONE) - Khối SR “GET_DB”.REQ truyền liệu Reset xuất tín hiệu lỗi (“GET_DB” ERROR) sau đọc xong liệu (“GET_DB”.NDR) ❖ Kết mô Sau khởi chạy mô cho PLC kết nối thành công giao thức truyền thông Profinet cho PLC Từ DB Send_Data_Server gửi liệu dạng Real 1000 2000 Ta thấy DB Recv_Data_Client nhận liệu hình Sau từ DB Send_Data_Client gửi liệu dạng Real 3000, DB Recv_Data_Server nhận liệu 20 Kết mơ truyền thông Profinet PLC S7 1200 sử dụng lệnh PUT/GET 21 KẾT LUẬN PROFINET hệ thống truyền thông công nghiệp dựa tiêu chuẩn Ethernet công nghiệp Nó xây dựng hệ thống PROFIBUS tiếng phổ biến Ưu điểm PROFINET so với PROFIBUS truyền liệu tốc độ cao, lên tới 100 Mbps khả thu thập liệu trình từ thiết bị trường Một tác dụng phụ tích cực bạn có hệ thống thông tin liên lạc liên tục từ khu vực văn phịng đến khu vực tự động hóa Điều tạo điều kiện cho việc giám sát, cải thiện suất kỹ thuật làm cho việc quản lý dễ dàng Trong khu vực tự động hóa, điều kiện mơi trường cho thiết bị cực đoan (bụi, nhiệt độ, EMC, v.v.) Do đó, thiết bị mạng phải đủ mạnh để hoạt động xác PROFINET IO thiết kế cho hệ thống trao đổi liệu điều khiển thiết bị trường PROFINET CBA thiết kế cho hệ thống tự động hóa phân tán Cả hai khái niệm dựa việc sử dụng tiêu chuẩn Ethernet công nghiệp 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO “Profinet University” Link: https://profinetuniversity.com/ “Profinet Technology” Link: https://us.profinet.com/ “Profinet Basics”, University of Applied Sciences Duesseldorf Process Informatics Laboratory (Pi-LAB) Giáo trình Mạng truyền thông công nghiệp 23