Hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu thông qua adam 3600: Đồ án tốt nghiệp Khoa Chất lượng cao ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Điều đặc biệt là có thể giám sát hệ thống của mình dù ở bất cứ đâu .Trong tình huống đối với các nhà máy lớn có nhiều loại thiết bị khác nhau, các doanh nghiệp phải đối mặt với thách th

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU

THÔNG QUA ADAM 3600

GVHD: ThS TRẦN VĂN SỸ SVTH: NGUYỄN QUANG TRỌNG

LÊ ĐỨC THIỆN

S K L 0 0 9 2 6 6

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU

THÔNG QUA ADAM 3600

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU

THÔNG QUA ADAM 3600

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Trần Văn Sỹ ĐT: 0909342362

Ngày nhận đề tài: Ngày 22, tháng 3, năm 2022

1 Tên đề tài:

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU THÔNG

QUA ADAM 3600

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Các giải pháp số hóa và giám sát nhà máy từ xa

- Tham khảo các giải pháp điều khiển và giám sát từ xa đã được triển khai

- Tham khảo các giao thức truyền thông trong công nghiệp của PLC

3 Nội dung thực hiện đề tài:

- Tìm hiểu về thiết bị IoT gateway ADAM 3600 và cách hoạt động

- Lựa chọn các thiết bị phù hợp để thiết kế phần cứng hệ thống

- Thiết kế phần mềm, giao diện điều khiển và giám sát tại các trạm cục bộ

- Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát từ xa

- Xây dựng mô hình hệ thống bằng các thiết bị phần cứng đã lựa chọn

o0o

PHIẾU NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên sinh viên: Nguyễn Quang Trọng MSSV: 17151149 Lê Đức Thiện MSSV: 17151133 Ngành: CNKT Điều khiển và Tự động hóa Tên đề tài: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU THÔNG QUA ADAM 3600 Giáo viên hướng dẫn: Th.S Trần Văn Sỹ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1 Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Ý kiến khác:

Tp HCM, ngày 06 tháng 8 năm 2022

Giáo viên hướng dẫn

Đầu tiên chúng em bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, các thầy cô Khoa Đào tạo Chất lượng cao và Bộ môn Tự Động Điều Khiển đã tạo điều kiện cũng như giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài

Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Trần Văn Sỹ là giảng viên thuộc Viện Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh Đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình chỉ bảo, giảng giải tận tình về các vướng mắc trong quá trình tìm hiểu đề tài

Do khả năng, kinh nghiệm của chúng em còn hạn chế, đồ án tốt nghiệp khó tránh khỏi những sai sót Chúng em rất mong nhận được sự chỉ dạy và góp ý của các thầy cô cũng như các bạn sinh viên khác để đồ án của chúng em hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên thực hiện Nguyễn Quang Trọng - 17151149

Lê Đức Thiện - 17151133

Với đề tài “Hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu thông qua ADAM 3600” nhằm tạo ra một hệ thống số hóa nhà máy giúp giám sát chặt chẽ năng lực sản xuất của máy, loại bỏ sai số do thống kê bằng tay Việc số hóa nhà máy mang lại cho các nhà sản xuất khả năng đưa ra các quyết định sáng suốt hơn khi họ làm việc để tối ưu hóa hoạt động Ngoài ra, hệ thống có khả năng theo dõi thời gian hoạt động của các thiết bị trong nhà máy giúp dự đoán bảo trì, bảo dưỡng các thiết bị kịp thời tránh sự cố bất ngờ

Thiết kế và thực hiện đề tài được tham khảo dựa trên giải pháp nhà máy thông minh (ifactory) của hãng Advantech đã được triển khai ở nhiều nhà máy trên thế giới

Đề tài ứng dụng IoT Gateway của hãng Advantech với nhiệm vụ thu thập dữ liệu và các thiết bị PLC của hãng Siemens, Mitsubishi có nhiệm vụ điều khiển hệ thống tại các trạm cục bộ Hệ thống có thể điều khiển và giám sát cục bộ thông qua HMI tại từng trạm hoặc từ xa thông qua Internet

LỜI CẢM ƠN I TÓM TẮT ĐỀ TÀI II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VIII DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH IX

Chương 1 Tổng Quan 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và giới hạn đề tài 1

1.3 Phương pháp nghiên cứu 2

1.4 Giới thiệu nội dung 2

Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết 3

2.1 Giải pháp số hóa nhà máy và giám sát từ xa 3

2.2 Giới thiệu chung về thiết bị IoT Gateway 3

2.2.1 Khái niệm 3

2.2.2 Tổng quan về Advantech ADAM 3600 4

2.2.2.1 Khái niệm 4

2.2.2.2 Cấu tạo 4

2.3 Giới thiệu chung về giải pháp Edge To Cloud của Advantech 6

2.3.1 Giới thiệu 6

2.3.2 Một số dịch vụ PaaS của nền tảng đám mây IoT công nghiệp Wise-PaaS của Advantech 6

2.3.2.1 WebAccess/Scada 6

2.3.2.2 WISE-PaaS/Dashboard 7

2.3.2.3 WISE-PaaS/SaaS Composer 7

2.4 Tổng quan về các chuẩn giao thức truyền thông 8

2.4.1 Khái quát 8

2.4.2 Các giao thức truyền thông trong công nghiệp 8

2.4.2.2 Modbus 9

2.4.2.3 Ethernet 9

2.4.2.4 CC-Link 9

2.5 Giao thức MQTT 13

2.6 Các thiết bị hỗ trợ truyền thông 14

2.6.1 Router 14

2.6.2 Hub 15

2.7 Giới thiệu chung về PLC 15

2.8 Giới thiệu thuật toán PID 17

2.9 Cơ cấu xy lanh khí nén 18

2.10 Encoder 21

2.11 Tổng quan và tính năng của HMI 22

2.12 Nguyên tắc thiết kế HMI 23

2.13 Các loại HMI trên thị trường 24

Chương 3 Thiết Kế Phần Cứng Hệ Thống 25

3.1 Yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu 25

3.2 Thiết kế sơ đồ tổng quan của hệ thống 25

3.3 Thiết kế giá đỡ mô hình 26

3.4 Thông số kỹ thuật Advantech ADAM 3600 27

3.5 Hệ thống phân loại phôi 28

3.5.1 Yêu cầu thiết kế của hệ thống 28

3.5.2 Sơ đồ khối hệ thống 29

3.5.3 Thiết kế trạm điều khiển 29

3.5.4 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống phân loại phôi 30

3.5.4.1 Lựa chọn bộ điều khiển cho hệ thống 30

3.5.4.2 Lựa chọn cơ cấu chấp hành cho hệ thống 31

3.5.4.3 Lựa chọn cảm biến cho hệ thống 33

3.5.5 Thiết kế sơ đồ nối dây hệ thống phân loại phôi 35

3.6.1 Yêu cầu thiết kế của hệ thống 36

3.6.2 Sơ đồ khối hệ thống 37

3.6.3 Thiết kế trạm HMI cho hệ thống 37

3.6.4 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển ổn định tốc độ động cơ 37

3.6.4.1 Lựa chọn bộ điều khiển cho hệ thống 38

3.6.4.2 Lựa chọn HMI cho hệ thống 43

3.6.4.3 Lựa chọn động cơ cho hệ thống 44

3.6.4.4 Lựa chọn biến tần cho hệ thống 45

3.6.4.5 Lựa chọn encoder cho hệ thống 46

3.6.5 Thiết kế sơ đồ nối dây hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ 47

Chương 4 Thiết Kế Phần Mềm Hệ Thống 49

4.1 Hệ thống phân loại phôi 49

4.1.1 Thiết kế chương trình điều khiển 49

4.1.1.1 Yêu cầu thiết kế chương trình điều khiển 49

4.1.1.2 Mô tả chương trình điều khiển 49

4.1.1.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển 49

4.1.2 Xây dựng chương trình điều khiển 53

4.1.3 Giao tiếp với giữa PLC với HMI và ADAM 3600 53

4.1.4 Thiết kế giao diện HMI 55

4.1.4.1 Yêu cầu thiết kế 55

4.1.4.2 Thiết kế màn hình HMI 56

4.2 Hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ 57

4.2.1 Thiết kế chương trình điều khiển 57

4.2.1.1 Yêu cầu thiết kế chương trình điều khiển 57

4.2.1.2 Mô tả chương trình điều khiển 57

4.2.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển 57

4.2.3 Xây dựng chương trình điều khiển 58

4.2.4 Giao tiếp với giữa PLC với HMI và ADAM 3600 60

4.2.5.1 Yêu cầu thiết kế 61

4.2.6 Thiết kế màn hình vận hành hệ thống 62

4.2.7 Thiết kế màn hình cài đặt hệ thống 62

4.2.8 Thiết kế màn hình đồ thị Trend 63

4.3 Điều khiển và giám sát từ xa với ADAM 3600 63

4.3.1 Kết nối ADAM 3600 và Webaccess/Scada 63

4.3.2 Cấu hình giao tiếp cho WebAccess/Scada 64

4.3.3 Xây dựng giao diện điều khiển và giám sát dữ liệu từ xa 67

Chương 5 Kết Quả Đạt Được 70

5.1 Mô hình 70

5.2 Giao diện điều khiển và giám sát tại trạm cục bộ 71

5.2.1 Trạm hệ thống phân loại phôi 71

5.2.2 Trạm hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ 72

5.3 Giao diện điều khiển và giám sát từ xa 75

5.3.1 Phân quyền giao diện điều khiển từ xa 75

5.3.2 Màn hình điều khiển từ xa 75

5.3.3 Màn hình giám sát từ xa 76

Chương 6 Kết Luận Và Hướng Phát Triển 78

6.1 Kết luận 78

6.1.1 Khối lượng công việc đã thực hiện 78

6.1.2 Hạn chế của mô hình 78

6.2 Hướng phát triển của đề tài 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC 80

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Advantech ADAM 3600 27

Bảng 3.2: Thông sõ kỹ thuật Siemens S7-1200 1214C DC/DC/DC 30

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật xylanh SEMIC CKD SMD2LDA-16-30 32

Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật van điện từ STNC TG2511-06 33

Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật cảm biến LJ12A3 33

Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật cảm biến quang YAMATAKE HPB-D1 35

Bảng 3.7: Danh sách thiết bị được sử dụng 38

Bảng 3.8: Thông số kỹ thuật Q38B 38

Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật Q61P 39

Bảng 3.10: Thông số kỹ thuật Q02HCPU 39

Bảng 3.11: Thông số kỹ thuật module QD62 40

Bảng 3.12: Thông số kỹ thuật module QJ61BT11N 41

Bảng 3.13: Thông số kỹ thuật module I/O Mix QH42P 42

Bảng 3.14: Thông số kỹ thuật GOT1000 GT1662 44

Bảng 3.15: Thông số kỹ thuật động cơ Tatung KC-VBKK 3-phase 1/4HP 44

Bảng 3.16: Thông số kỹ thuật biến tần Mitsubishi FR-720 45

Bảng 3.17: Thông số kỹ thuật encoder LPD3806-600BM 46

Hình 2.1: Các thiết bị IoT Gateway của Advantech 4

Hình 2.2: Module I/O 4

Hình 2.3: Giao thức kết nối không dây 5

Hình 2.4: Khoảng nhiêt độ làm việc rộng 5

Hình 2.5: Cập nhật Firmware 6

Hình 2.6: Cấu trúc của mạng CC-LINK 11

Hình 2.7: Giao tiếp trạm chủ và trạm thiết bị từ xa 12

Hình 2.8: Giao tiếp trạm chủ và trạm I/O từ xa 13

Hình 2.9: Truyền nhận dữ liệu trong MQTT 13

Hình 2.10: Bố cục mô hình OSI 14

Hình 2.11: Module router wifi 15

Hình 2.12: Module Hub Switch 15

Hình 2.13: Cấu trúc cơ bản của PLC 16

Hình 2.14: Các loại PLC của Siemens 17

Hình 2.15: Các loại PLC của Mitsubishi 17

Hình 2.16: Sơ đồ bộ điều khiển PID 18

Hình 2.17: Đáp ứng của 3 khâu P,PI,PID 18

Hình 2.18: Van khí nén 5/2 và 5/3 19

Hình 2.19: Van khí nén 3/2 20

Hình 2.20: Một số loại xy lanh khí nén 20

Hình 2.21: Cấu tạo encoder 21

Hình 2.22: Phân loại encoder 22

Hình 2.23: HMI truyền thống 23

Hình 2.24: HMI hiện đại 23

Hình 3.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống 26

Hình 3.2: Giá đỡ thiết bị mô hình 27

Hình 3.3: Module ADAM 3600 27

Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ thống phân loại phôi 29

Hình 3.5: Bề mặt box điều khiển Auto 29

Hình 3.6: Bề mặt box điều khiển ON/OFF chế độ manual 30

Hình 3.7: PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC 31

Hình 3.8: Động cơ DC Maxon 31

Hình 3.9: xylanh SEMIC CKD SMD2LDA-16-30 32

Hình 3.10: Van điện từ khí nén 24V DC 33

Hình 3.11: Cảm biến LJ12A3 33

Hình 3.12: Cảm biến quang YAMATAKE HPB-D1 35

Hình 3.14: Sơ đồ nối dây Digital Input S7-1200 36

Hình 3.15: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ 37

Hình 3.16: Bảng vẽ trạm HMI 37

Hình 3.17: Module Base unit Q38B 38

Hình 3.18: Module nguồn Q61P 39

Hình 3.19: Module Q02HCPU 39

Hình 3.20: Module QD62 40

Hình 3.21: Module QJ61BT11N 41

Hình 3.22: Module QJ71E71-100 42

Hình 3.23: Module QH42P 43

Hình 3.24: HMI GOT1000 GT1662 43

Hình 3.25: Động cơ Tatung KC-VBKK 3-phase 1/4HP 45

Hình 3.26: Biến tần Mitsubishi FR-E720 46

Hình 3.27: Encoder LPD3806-600BM 47

Hình 3.28: Sơ đồ nối dây của module QD62 và encoder 47

Hình 3.29: Sơ đồ nối dây của module QH42P 48

Hình 3.30: Sơ đồ nối dây của FR-E720 và module QJ61BT11N 48

Hình 4.1: Lưu đồ tổng quát của hệ thống 50

Hình 4.2: Lưu đồ điều khiển chế độ Manual 51

Hình 4.3: Lưu đồ điều khiển chế độ Auto 52

Hình 4.4: Phần mềm lâp trình PLC Tia Portal V16 53

Hình 4.5: Phần mềm thiết kế WinCC 53

Hình 4.6: Kết nối giữa PLC S7-1200 và HMI 54

Hình 4.7: Cấu hình giao tiếp ADAM 3600 và S7-1200 trên Advantech EdgeLink Studio 54

Hình 4.8: Cấu hình giao tiếp ADAM 3600 và S7-1200 trên Tia Portal V16 55

Hình 4.9: Thiết kế màn hình HMI của hệ thống phân loại phôi 56

Hình 4.10: Thiết kế đăng nhập khi vận hành hệ thống phân loại phôi 57

Hình 4.11: Lưu đồ điều khiển của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ 58

Hình 4.12: Phần mềm lập trình GX Work2 59

Hình 4.13: Cấu hình thông số cho module QD62 59

Hình 4.14: Cấu hình giao tiếp module QJ61BT11N 60

Hình 4.15: Cấu hình giao tiếp Q02HCPU và GT1662 60

Hình 4.16: Cấu hình giao tiếp ADAM 3600 và Q02HCPU trên Advantech EdgeLink Studio 61

61

Hình 4.18: Thiết kế màn hình vận hành hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ 62

Hình 4.19: Thiết kế đăng nhập màn hình cài đặt hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ 63

Hình 4.20: Thiết kế màn đồ thị Trend của hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ 63

Hình 4.21: Kết nối ADAM 3600 và WebAccess/Scada 64

Hình 4.22: Trang chủ WebAccess/Scada 64

Hình 4.23: Tạo Project Node mới trong WebAccess/Scada 65

Hình 4.24: Tạo Scada Node mới 65

Hình 4.25: Kết nối dữ liệu giữa ADAM 3600 và WebAccess/Scada 65

Hình 4.26: Giao tiếp WebAccess/Scada và Wise-PaaS/DataHub 66

Hình 4.27: Chọn Tag dữ liệu kết nối đến Wise-PaaS DataHub 66

Hình 4.28: Kết nối dữ liệu thành công đến Wise-PaaS/DataHub 67

Hình 4.29: Thiết kế giao diện điều khiển trên phần mềm WebAccess/Scada 67

Hình 4.30: Phần mềm Wise-PaaS/Dashboard 68

Hình 4.31: Kết nối dữ liệu giữa Wise-PaaS/Dashboard và Wise-PaaS/DataHub 68

Hình 4.32: Thiết kế giao diện giám sát trên phần mềm Wise-PaaS/Dashboard 69

Hình 5.1: Mô hình sau khi hoàn thành 70

Hình 5.2: Mô hình hệ thống phân loại phôi 70

Hình 5.3: Mô hình hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ 71

Hình 5.4: Màn hình vận hành hệ thống phân loại phôi 71

Hình 5.5: Màn hình đăng nhập hệ thống phân loại phôi 72

Hình 5.6: Màn hình phân quyền hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ 72

Hình 5.7: Màn hình vận hành hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ 73

Hình 5.8: Màn hình cài đặt hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ 73

Hình 5.9: Màn hình đồ thị Trend hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ 74

Hình 5.10: Cửa sổ hiển thị lỗi của hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ 74

Hình 5.11: Phân quyền giao diện điều khiển từ xa 75

Hình 5.12: Màn hình điều khiển từ xa hệ thống phân loại phôi 75

Hình 5.13: Màn hình điều khiển từ xa hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ 76

Hình 5.14: Màn hình giám sát từ xa hệ thống phân loại phôi 76 Hình 5.15: Màn hình giám sát từ xa hệ thống điều khiển và giám sát tốc độ động cơ 77

Chương 1 Tổng Quan

1.1 Đặt vấn đề

Trong những năm trở lại đây việc số hóa các lĩnh vực diễn ra liên tục Ta đã thấy lợi ích không nhỏ của việc số hóa với ngành bán lẻ, vận tải, dịch vụ,… Tuy nhiên, tiềm năng của số hóa trong ngành công nghiệp sản xuất vẫn còn là một ẩn số Hiện nay tại nhiều nhà máy sản xuất các dữ liệu của các thiết bị vẫn còn đang phải ghi chép bằng tay, điều này dễ dẫn đến vấn đề sai sót Ngoài ra, tại các nhà máy chỉ quen với việc giao tiếp

và quan sát dữ liệu qua HMI, còn đối với giải pháp giám sát từ xa còn chưa phổ biến Điều này dẫn đến sự bất tiện về vấn đề di chuyển đến vị trí điều khiển, khả năng đáp ứng kịp thời, khắc phục lỗi của hệ thống Đồng thời hao tổng nhân lực để điều khiển nhiều hệ thống khác nhau, giám sát và cập nhập dữ liệu cùng lúc, tức thời Hệ thống nhà máy thông minh sẽ phá bỏ về khoảng cách điạ lý, mang lại nhiều sự thuận tiện cho nhà máy Điều đặc biệt là có thể giám sát hệ thống của mình dù ở bất cứ đâu Trong tình huống đối với các nhà máy lớn có nhiều loại thiết bị khác nhau, các doanh nghiệp phải đối mặt với thách thức trong việc tích hợp vô số thiết bị và giao thức, nhiều thiết bị với các yêu cầu về sức mạnh và kết nối khác nhau

Để giải quyết các vấn đề trên nhóm thực hiện đồ án đã lựa chọn đề tài nghiên cứu

“HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU THÔNG QUA ADAM 3600”

để có thể giúp các nhà máy có thể đạt được những lợi ích như : Loại bỏ sai số do thống

kê bằng tay, dễ phát hiện vấn đề nảy sinh đột xuất không mong muốn, giảm thời gian downtime của máy, lịch sản xuất được tối ưu, giảm chi phí sản xuất, luồng công việc được cải thiện, tăng lợi thế cạnh tranh và bảo trì tiên đoán

1.2 Mục tiêu và giới hạn đề tài

Mục tiêu đề tài

Đề tài được thực hiện với những mục tiêu cụ thể như sau:

- Tạo ra hệ thống sát với thực tế, hoạt động ổn định dựa trên những yêu cầu thực

tế của hệ thống

- Giao tiếp được với các thiết bị PLC Mitsubishi, PLC Siemens S7-1200

- Điều khiển và giám sát từng trạm thông qua HMI

- Trực quang hóa dữ liệu hệ thống trên dashboard

- Giám sát thời gian hoạt động của các thiết bị và thời gian downtime, điều này giúp theo dõi năng lực sản xuất của máy

- Cảnh báo khi có lỗi thông qua Gmail và ứng dụng trên điện thoại giúp kịp thời khắc phục sự cố

Giới hạn đề tài

- Kết nối giữa các module với nhau bằng dây cắm thuận tiện cho việc học tập và thay đổi các module

- Điều khiển và giám sát trên HMI tại từng trạm

- Hiển thị số liệu và điều khiển chính xác

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu và tham khảo các hệ thống đã được triển khai tại các nhà máy, cụ thể là giải pháp giám sát thông minh tại nhà máy Media và hội thảo “Đồng Tháp: Một số giải pháp số cho đô thị thông minh và sản xuất thông minh” Tại hội thảo các công ty đã trưng bày các giải pháp công nghệ IoT thuộc nhiều lĩnh vực như: nhà máy thông minh (iFactory), giao thông thông minh (ITS), chăm sóc sức khỏe thông minh (iHealthcare), bán lẻ thông minh (iRetail), hậu cần thông minh (iLogistics), trung tâm điều hành thông minh (Intelligent Operation Center), hệ thống chiếu sáng thông minh (Smart Lighting), giải pháp giám sát an ninh thông minh (Smart Security) Đề tài được thực hiện dựa trên giải pháp nhà máy thông minh (iFactory) của công ty Advantech mô phỏng lại các trạm sản xuất trong nhà máy kết hợp thiết kế màn hình giám sát và điều khiển dựa trên các chức năng của từng trạm

1.4 Giới thiệu nội dung

Nội dung của bài báo cáo được trình bày thành các chương như sau:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày lý thuyết về các khái niệm, cơ sở lý thuyết của đồ án Giới thiệu tổng quan về các thiết bị, thông số, phương thức kết nối có trong mô hình đồ án Chương 3: Thiết kế phần cứng hệ thống

Ở chương này trình bày về các yêu cầu về đáp ứng của phần cứng hệ thống Và từ

đó, phần cứng được thiết kế để đáp ứng những yêu cầu đã đưa ra và trình bày thông số

kĩ thuật của các thiết bị đã lựa chọn

Chương 4: Thiết kế phần mềm hệ thống

Chương này nêu các yêu cầu khi thi công phần mềm của hệ thống để đáp ứng hoạt động của hệ thống Cùng với đó là việc thiết kế phần mềm điều khiển, giám sát sao cho đơn giản và dễ sử dụng, cũng như phù hợp với yêu cầu thực tế của hệ thống

Chương 5: Kết quả thực hiện

Các kết quả đã đạt được của hệ thống so với mục tiêu ban đầu được trình bày ở chương này Đồng thời đưa ra hiệu suất làm việc của hệ thống đó

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương này trình bày các kết quả rút ra được từ kết quả thực hiện đề tài và nêu lên các hướng phát triển của hệ thống trong tương lai

Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này nêu ra các phương pháp có thể dùng để thực hiện đề tài Các giải pháp thu

thập và giao thức truyền thông dữ liệu trong nhà máy Và từ đó, lựa chọn giải pháp phù hợp nhất có thể lựa chọn

2.1 Giải pháp số hóa nhà máy và giám sát từ xa

Hiện nay có nhiều phương pháp để giúp ta có thể thu thập dữ liệu cũng như điều khiển từ xa nhưng về cơ bản thì có 2 giải pháp chính là sử dụng 1 máy tính để thu thập

dữ liệu từ các thiết bị trường là các bộ điều khiển sau đó sử dụng giao thức truyền thông

để đẩy dữ liệu đến một server, sau đó phát triển các API để kết nối dữ liệu giữa server

và dashboard nhưng giải pháp này chỉ phù hợp để giám sát số lượng máy nhỏ vì quá trình triển khai chậm cũng như cần chi phí lớn về nhân lực Ngoài ra, còn một giải pháp hiện nay sử dụng khá phổ biến là sử dụng các thiết bị xử lý biên để thu thập và xử lý dữ liệu tại biên, từ đây có thể kết nối dữ liệu đến server hoặc kết nối dữ liệu đến một trạm scada giám sát cục bộ rồi từ trạm cục bộ kết nối dữ liệu với server

Đối với đề tài giám sát và thu thập dữ liệu trong nhà máy thì sử dụng các thiết xử lý biên IoT Gateway để thu thập dữ liệu là hợp lý vì trong nhà máy có rất nhiều dữ liệu cần thu thập nên việc sử dụng máy tính để thu thập dữ liệu tốn chi phí rất lớn Ngoài ra, các thiết bị IoT Gateway cũng giải quyết được vấn đề kết nối dữ liệu giữa các thiết bị có chuẩn truyền thông khác nhau

2.2 Giới thiệu chung về thiết bị IoT Gateway

2.2.1 Khái niệm

IoT Gateway là một thiết bị đóng vai trò là điểm kết nối giữa đám mây và các thiết

bị điều khiển, cảm biến và các thiết bị thông minh,… Tất cả dữ liệu di chuyển lên đám mây hoặc ngược lại sẽ đi qua Gateway này IoT Gateway thông thường sẽ là một thiết

bị phần cứng chuyên dụng, có thiết kế linh hoạt, chịu được môi trường khắc nghiệt, hỗ trợ các chuẩn kết nối cục bộ như: LAN, WiFi, 3G, Zigbee, Z-wave, RF Hoặc nó cũng

có thể là một máy chủ thông thường nếu không gian lắp đặt cho phép, cài đặt phần mềm Gateway và tích hợp các cổng kết nối, Wireless phù hợp

IoT và các công nghệ cảm biến đang cải thiện chất lượng cuộc sống của chúng ta theo nhiều cách, từ giao thông thông minh, chiếu sáng đường phố thông minh và đồng

hồ đo thông minh; biến các thành phố bình thường thành các thành phố thông minh, hiệu quả hơn, cung cấp các dịch vụ tiện lợi và sáng tạo mới

Với làn sóng kỹ thuật số, nhiều tiện ích công cộng đã bắt đầu thử nghiệm ứng dụng đồng hồ đo thông minh bao gồm năng lượng, nước, khí hoặc năng lượng khác… Sử

dụng các cảm biến tích hợp và thiết bị liên lạc cho phép thu thập dữ liệu thời gian thực, thanh toán tự động, quản lý dựa trên đám mây và thông báo kích hoạt sự kiện

Các sản phẩm IoT Gateway của Advantech cung cấp trên thị trường:

Hình 2.1: Các thiết bị IoT Gateway của Advantech

2.2.2 Tổng quan về Advantech ADAM 3600

2.2.2.1 Khái niệm

ADAM 3600 là thiết bị đầu cuối từ xa (Remote Terminal Unit) thông minh với nhiều chức năng, kết nối không dây, nhiều lựa chọn I/O, phạm vi nhiệt độ rộng và hỗ trợ giao thức giao tiếp linh hoạt cho ứng dụng dầu, khí và nước ADAM 3600 là một thiết bị xử

lý biên mạnh mẽ của Advantech với nhiều tính năng tiến tiến, phù hợp cho các ứng dụng IoT công nghiệp

2.2.2.2 Cấu tạo

Hỗ trợ ngõ vào ra I/O linh hoạt:

Ngõ vào ra I/O đa dạng trên thiết bị, và hỗ trợ mở rộng các module vào ra I/O khác

Hình 2.2: Module I/O

ADAM 3600 hỗ trợ đồng thời hai thẻ PCIe để giao tiếp với Wi-Fi / 3G / GPRS / Zigbee linh hoạt để kết nối trong trường Các giao thức Modbus RTU / TCP và DNP3 được thêm vào ADAM 3600 để giao tiếp với nhiều hệ thống SCADA

Hình 2.3: Giao thức kết nối không dây

Khoảng nhiệt độ làm việc rộng:

ADAM 3600 có thể hoạt động trong môi trường từ -40~70℃ giúp cho nó có thể làm việc được trong những môi trường khắc nghiệt và giảm thiểu chi phí bảo trì cho khách hàng

Hình 2.4: Khoảng nhiêt độ làm việc rộng

Cập nhật Firmware:

ADAM 3600 có thể sử dụng thiết bị USB hoặc thẻ nhớ SD để cập nhật Firmware một cách tự động mà không cần kết nối với máy tính

Tuy nhiên, vì có rất nhiều thiết bị nằm rải rác trong một nhà máy, nên rất khó để biết chính xác và xác định các máy móc có khả năng hỏng hóc bằng phương pháp truyền thống May mắn thay, thông qua giám sát và chẩn đoán cẩn thận bằng hệ thống dựa trên đám mây, nhà quản lý không chỉ biết về trạng thái của mọi máy và thiết bị, họ có thể thực hiện tất cả các bước cần thiết càng sớm càng tốt để loại bỏ các sự cố có thể xảy ra

Họ cũng có thể thực hiện quét thiết bị bị lỗi bằng cách phân tích dữ liệu lịch sử để cải thiện tỷ lệ phát hiện lỗi sớm, tăng tuổi thọ thiết bị và giảm thời gian dừng hoạt động của dây chuyền sản xuất do lỗi thiết bị

So với các đám mây private do các doanh nghiệp xây dựng, đòi hỏi nhiều tiền, tài nguyên và thời gian, nền tảng đám mây WISE-PaaS của Advantech là một giải pháp giúp tiết kiệm thời gian và tài nguyên WISE-PaaS là một giải pháp Edge-Cloud (Biên – Đám mây) với tính ổn định cao và các tính năng có thể mở rộng dễ dàng Nó cũng đi kèm với một công cụ giúp trực quan hóa dữ liệu cho phép người dùng dễ dàng thiết kế giao diện người-máy (HMI) và mô-đun quản lý cập nhật phần mềm từ xa giúp mọi thứ luôn được cập nhật

2.3.2 Một số dịch vụ PaaS của nền tảng đám mây IoT công nghiệp Wise-PaaS của Advantech

2.3.2.1 WebAccess/Scada

Advantech WebAccess / SCADA là phần mềm SCADA 100% dựa trên web, người dùng có thể theo dõi và kiểm soát các dự án của mình một cách đơn giản thông qua trình

duyệt web, nó hoạt động như một nền tảng IIoT cung cấp giao diện mở cho các đối tác

để phát triển các ứng dụng IoT cho các thị trường dọc khác nhau Đối với lớp thiết bị của IoT, WebAccess / SCADA hỗ trợ nhiều giao thức và trình điều khiển để kết nối với hơn 450 bộ điều khiển và thiết bị Với bảng điều khiển thông minh, cung cấp cho người dùng phân tích dữ liệu đa nền tảng, trình duyệt chéo và giao diện người dùng sử dụng công nghệ HTML5

2.3.2.2 WISE-PaaS/Dashboard

WISE-PaaS/Dashboard là một công cụ trực quan hóa và phân tích dữ liệu sáng tạo

Nó kết nối với các cơ sở dữ liệu thường được sử dụng và tích hợp liền mạch với dữ liệu nền tảng WISE-PaaS Ngoài ra, công cụ này có thể tạo ra các báo cáo phổ biến và độc quyền khác nhau trong Internet of Things công nghiệp một cách nhanh chóng

Advantech cung cấp nhiều loại bảng điều khiển bắt mắt: WISE-PaaS / Dashboard cung cấp nhiều loại bảng phong cách và các plugin dành riêng cho nhiều lĩnh vực để tạo

ra nhiều loại bảng điều khiển

Cung cấp các chức năng phân tích và tính toán thống kê: Truy cập vào các chức năng phân tích dữ liệu thường được sử dụng như xếp hạng, phân phối và so sánh Hỗ trợ hơn 50 nguồn dữ liệu: Ngoài các cơ sở dữ liệu chung khác, WISE-PaaS/Dashboard

hỗ trợ liền mạch quyền truy cập vào DataHub, InsightAPM, DeviceOn và AIFS

Cung cấp khung xây dựng ứng dụng SRP-Frame: Sử dụng SRP-Frame để xây dựng các ứng dụng bằng cách tổ chức một loạt các bảng điều khiển liên quan

Hỗ trợ chức năng cảnh báo / thông báo: Sử dụng nhiều bảng điều khiển, giải pháp này có thể cấu hình linh hoạt các điều kiện cảnh báo cho các nguồn dữ liệu khác nhau Khi phát sinh các điều kiện được chỉ định trước, dịch vụ sẽ thông báo cho người dùng Giải pháp này cho phép thông báo qua nhiều kênh, bao gồm E-mail, Webhook, LINE, Slack hoặc WeChat

Cung cấp Ứng dụng Di động: Các bảng PC hoặc ứng dụng do SRP-Frame xây dựng

có thể truy cập trên thiết bị đầu cuối di động bất cứ lúc nào và bất cứ nơi đâu Người dùng có thể nhóm chúng thành những cách sắp xếp phù hợp để cải thiện màn hình thiết

bị đầu cuối di động

2.3.2.3 WISE-PaaS/SaaS Composer

WISE-PaaS / SaaS Composer là công cụ điều khiển đồ họa dựa trên đám mây thế

hệ mới cho phép người dùng tương tác với máy trong thời gian thực Nó là một cơ sở

hạ tầng dựa trên trình duyệt, thay thế các hạn chế của IDE truyền thống và cho phép sử

doanh Với khả năng tùy chỉnh 100%, người dùng có thể tái tạo lại môi trường tại chỗ

và đưa ra bản trình bày chi tiết trực tiếp

2.4 Tổng quan về các chuẩn giao thức truyền thông

2.4.1 Khái quát

Mạng truyền thông trong công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị trong công nghiệp Các hệ thống truyển thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ cảm biến, cơ cấu chấp hành cho đến thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát

Việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp có thể thay thế được các kết nối điểm

cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại nhiều lợi ích:

- Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị: Các thiết bị được ghép nối với

nhau thông qua một đường truyền duy nhất

- Tiết kiệm dây nối cho việc lắp đặt hệ thống: Một lượng lớn cáp truyền được thay

thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí cho nguyên vật liệu và công lắp đặt

- Nâng cao độ tin cậy và chính xác của thông tin: Nhờ kỹ thuật truyền thông số, thông tin truyền đi khó bị sai lệch, các thiết bị nối mạng còn có thể tự phát hiện

lỗi và chuẩn đoán lỗi nếu có

- Mang lại nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Mạng truyền thông công nghiệp cho phép ứng dụng các kiến trúc điều khiển mới như điều khiển phân tán, điều khiển giám sát hoặc chuẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển và giám sát với thông tin điều hành sản

xuất và quản lý công ty

2.4.2 Các giao thức truyền thông trong công nghiệp

2.4.2.1 Profibus

Profibus (Process Field Bus) là một chuẩn cho truyền thông fieldbus trong kỹ thuật

tự động hóa và được phát triển lần đầu vào năm 1989 bởi BMBF (phòng giáo dục và nghiên cứu Đức) và sau đó được sử dụng bởi Siemens Trong sản xuất, các ứng dụng tự động hóa quá trình công nghiệp và tự động hóa tòa nhà, các mạng trường nối tiếp (serial fieldbus) có thể hoạt động như hệ thống truyền thông, trao đổi thông tin giữa các hệ thống tự động hóa và các thiết bị hiện trường phân tán Chuẩn này cũng cho phép các thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau giao tiếp với nhau mà không cần điều chỉnh giao diện đặc biệt

Profibus sử dụng phương tiện truyền tin xoắn đôi và RS485 chuẩn công nghiệp trong các ứng dụng sản xuất hoặc IEC 1158-2 trong điều khiển quá trình Profibus cũng

có thể sử dụng Ethernet/TCP-IP

Profibus là một mạng Fieldbus được thiết kế để giao tiếp giữa máy tính và PLC Dựa trên nguyên tắc token bus không đồng bộ ở chế độ thời gian thực, Profibus xác định mối quan hệ truyền thông giữa nhiều master và giữa master-slave, với khả năng truy cập theo chu kì và không theo chu kì, tốc độ truyền tối đa lên tới 500 kbit/s (trong một số ứng dụng có thể lên tới 1,5Mbp hay 12Mbp) Khoảng cách bus tối đa không dùng bộ lặp (repeater) là 200m và nếu dùng bộ lặp khoảng cách tối đa có thể đạt được là 800m Số điểm (node) tối đa nếu không có bộ lặp là 32 và là 127 nếu có bộ lặp

2.4.2.2 Modbus

Modbus là một giao thức do hãng Modicon phát triển Là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy có thể được thực hiện được trên các cơ chế vận hành cấp thấp như TCP/IP, MAP (Manufacturing Message Protocol), Modbus Plus và ngay

cả qua đường truyền nối tiếp RS-232

Modbus mô tả quá trình giao tiếp giữa một bộ điều khiển với các thiết bị khác thông qua cơ chế yêu cầu/đáp ứng Đặc biệt trong hệ thống thu thập dữ liệu vả điều khiển giám sát (SCADA), Modbus hay được sử dụng trên các đường truyền RS-232 ghép nối giữa các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC, RTU) với thiết bị truyền dữ liệu (Modem)

2.4.2.3 Ethernet

Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Ethernet

có xuất xứ là tên gọi của một sản phẩm của công ty Xerox, được xử dụng đầu tiên vào năm 1975 để nối mạng 100 trạm máy tính với cáp đồng trục dài 1km Bên cạnh sử dụng cáp đồng trục, đôi dây xoắn và cáp quang thì Ethernet không dây (Wireless LAN, IEEE 802.11) cũng đang thu hút sự quan tâm lớn

Trong một mạng Ethernet, không kể tới bộ chia hoặc bộ chuyển mạch thì tất cả các trạm đều có vai trò bình đẳng như nhau Mỗi trạm (hay nói cách khác là mỗi module giao diện mạng, mỗi card mạng) có một địa chỉ Ethernet riêng biệt, thống nhất toàn cầu Ethernet có hỗ trợ phương pháp gửi thông báo đồng loạt (Multicast và Broadcast) Một thông báo Muticast gửi tới một nhóm các trạm, trong khi một thông báo Broadcast gửi tới tất cả các trạm

Một vấn đề thường lo ngại trong việc sử dụng Ethernet ở cấp trường là phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên CSMA/CD và sự ảnh hưởng tới hiệu suất cũng như tính năng thời gian thực của hệ thống Ở đây, một trong những yếu tố quyết định tới hiệu suất của hệ thống là thuật toán tính thời gian chờ truy nhập lại cho các trạm trong trường hợp xảy ra xung đột

2.4.2.4 CC-Link

CC-Link (Control and communication link: Hệ thống liên kết điều khiển và liên lạc)

là một hệ thống liên kết dữ liệu có nhiệm vụ cấu hình cho một hệ thống phân tán bằng phương pháp dẫn dây tối ưu và tiết kiệm chi phí

CC-Link là mạng công nghiệp mở cho phép các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất giao tiếp Nó chủ yếu sử dụng trong các ứng dụng máy, thiết bị hoặc kiểm soát quá trình trong các ngành chế tạo và sản xuất, nhưng cũng có thể được sử dụng trong quản lý cơ

sở, quá trình điều khiển và tự động hóa nhà máy

Đặc điểm của mạng CC-LINK

Giao tiếp tốc độ cao: Thông tin bật/tắt tín hiệu của I/O và các giá trị có thể được trao đổi một cách nhanh chóng ở tốc độ cao Tính năng này cho phép cấu hình của nhiều hệ thống khác nhau

Thiết kế hệ thống linh hoạt: Nhiều thiết bị CC-Link được sản xuất bởi các đối tác đã

có mặt trên thị trường Do đó, một hệ thống có thể được thiết kế linh hoạt tùy theo ứng dụng

Cấu hình của hệ thống điều phối: Bằng cách kết nối nhiều bộ điều khiển khả trình tới một hệ thống CC-Link, một hệ thống điều phối đơn giản có thể được tạo ra Các bộ điều khiển khả trình có thể thực hiện kết nối dữ liệu với các trạm từ xa và các thiết bị thông minh và có thể điều khiển các thiết bị điều phối trong một hệ thống CC-Link Thiết lập hệ thống phù hợp với nhu cầu (số lượng trạm kết nối): Với tổng cộng 64 trạm I/O từ xa, các trạm điều khiển thiết bị hoặc trạm cục bộ có thể được kết nối về một trạm chủ Số lượng tối đa có thể kết nối đến các trạm chủ như sau: 64 đối với trạm I/O

từ xa, 42 đối với trạm thiết bị từ xa, và 26 trạm cho cục bộ

Liên kết điểm: Quá trình giao tiếp trong mỗi hệ thống có thể được thực hiện giữa

2048 điểm đối với đầu vào từ xa (RX) hoặc đầu ra từ xa (RY) và 512 điểm đối với thanh ghi từ xa (RW) Một trạm quản lý bởi một trạm điều khiển hoặc trạm cục bộ có thể xử lý được 32 điểm nếu là đầu vào từ xa (RX) hoặc đầu ra từ xa (RY) và 8 điểm đối với thanh ghi từ xa (RW) (RWw: 4, RWr: 4)

Có tổng cộng 4 loại trạm trong hệ thống CC-Link:

- Trạm chủ: là trạm mà module chủ và cục bộ được gắn kết trên đơn vị cơ sở và điều khiển toàn bộ hệ thống CC-Link Các module khác nhau theo từng dòng Q (QJ61BT11), dòng QnA (1QBT11), và dòng A (AJ61BT11)

- Trạm cục bộ: là trạm mà module chủ và cục bộ được gắn kết với đơn vị cơ sở và giao tiếp với trạm chủ và các trạm cục bộ khác Các module có thể chia sẻ với module chủ

- Trạm từ xa: trạm từ xa tương ứng với một module I/O hoặc module chức năng đặc biệt và thường thực thi đầu vào đầu ra Bên cạnh đó các thiết bị khác (biến

tần, bộ hiển thị, cảm biến…) Hơn nữa trạm này cũng được chia thành một trạm I/O từ xa và một trạm thiết bị từ xa

Hình 2.6: Cấu trúc của mạng CC-LINK

Giao tiếp giữa trạm chủ và trạm thiết bị từ xa

Quá trình truyền thông được thực thi chỉ với thông tin BẬT/TẮT (đầu vào từ xa RX

và đầu ra từ xa RY) và dữ liệu số (thanh ghi từ xa):

1 Tín hiệu đầu vào từ xa (BẬT/TẮT) của trạm thiết bị từ xa được lưu trong bộ nhớ đệm (vị khí tín hiệu đầu vào từ xa) của mô đun chủ bằng liên kết dữ liệu

2 Thông tin tín hiệu đầu vào từ xa của trạm thiết bị từ xa được đọc từ bộ nhớ đệm (vị trí tín hiệu đầu vào từ xa) của mô đun chủ tới CPU PLC bằng tự động làm tươi (dùng cho tính toán, như là một thể hiện của CPU PLC)

3 Kết quả tính toán được viết lại vào bộ nhớ đệm (vị trí tín hiệu đầu ra từ xa) của mô đun chủ bằng phương pháp tự động làm tươi

4 Thông tin BẬT/TẮT được lưu trong bộ nhớ đệm của mô đun chủ (vị trí tín hiệu đầu ra từ xa) được triển khai đến tín hiệu đầu ra từ xa của trạm thiết bị

7 Thanh ghi từ xa (dữ liệu số) của trạm thiết bị từ xa được lưu trong bộ nhớ đệm (vị trí tiếp nhận thanh ghi từ xa) của mô đun chủ bằng liên kết dữ liệu

8 Dữ liệu số của trạm thiết bị từ xa được đọc bởi bộ nhớ đệm (vị trí tiếp nhận thanh ghi từ xa) của mô đun chủ bằng tự động làm tươi

Hình 2.7: Giao tiếp trạm chủ và trạm thiết bị từ xa

Giao tiếp giữa trạm chủ và trạm I/O từ xa

Quá trình truyền thông được thực thi chỉ với thông tin BẬT/TẮT (đầu vào từ xa RX

và đầu ra từ xa RY):

1 Một tín hiệu là đầu vào từ một thiết bị bên ngoài đến trạm I/O từ xa

2 Tín hiệu đầu vào từ xa (BẬT/TẮT) của trạm I/O từ xa được lưu trong bộ nhớ đệm (khu vực tín hiệu đầu vào từ xa) của mô đun chủ thông qua liên kết dữ liệu

3 Thông tin tín hiệu đầu vào từ xa của trạm I/O từ xa được đọc từ bộ nhớ đệm (vị trí tín hiệu đầu vào từ xa) của mô đun chủ đến CPU PLC bằng cách tự động làm tươi (dùng cho tính toán, như là một thể hiện của CPU PLC)

4 Kết quả tính toán được viết lại vào bộ nhớ đệm (vị trí tín hiệu đầu ra từ xa) của mô đun chủ bằng phương pháp tự động làm tươi

5 Thông tin BẬT/TẮT được lưu trong bộ nhớ đệm của mô đun chủ (vị trí tín hiệu đầu ra từ xa) được triển khai tới tín hiệu đầu ra từ xa của trạm I/O từ xa thông qua liên kết dữ liệu

6 Tín hiệu được xuất ra thiết bị bên ngoài từ trạm I/O từ xa

Hình 2.8: Giao tiếp trạm chủ và trạm I/O từ xa

2.5 Giao thức MQTT

MQTT viết tắt của MQ Telemetry Transport (trước đó MQTT được định nghĩa là Message Queuing Telemetry Transport ), là giao thức ở tầng ứng dụng chạy trên nền TCP thuộc tập giao thức TCP/IP

Để giao thức này hoạt động được cần có một thành phần trung tâm gọi là Broker và các thiết bị khách còn được gọi là các Client, các Client sẽ kết nối đến các Broker Broker và Client sẽ giao tiếp với nhau thông qua các gói tin MQTT được xây dựng dựa theo chuẩn OASIS MQTT được thiết kế như một phương tiện truyền tải tin nhắn publish/subcribe (xuất bản/đăng ký) cực kỳ nh, lý tưởng để kể kết nối các thiết bị từ xa với băng thông mạng thấp MQTT này nay được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp, chẳng hạn như ô tô, sản xuất, viễn thông, dầu khí,

Hình 2.9: Truyền nhận dữ liệu trong MQTT

Một phiên MQTT được chia thành bốn giai đoạn: kết nối, xác thực, giao tiếp và kết thúc Client (máy khách) bắt đầu bằng cách tạo kết nối Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) tới broker bằng cách sử dụng cổng tiêu chuẩn hoặc cổng tùy chỉnh được xác định bởi các nhà phát triển broker Khi tạo kết nối, điều quan trọng là phải nhận ra rằng máy chủ có thể tiếp tục một phiên cũ nếu nó được cung cấp

ID máy khách mà được sử dụng lại

Các cổng tiêu chuẩn là 1883 cho giao tiếp không mã hóa và 8883 cho giao tiếp được

mã hóa – sử dụng lớp cổng bảo mật (SSL) / Bảo mật truyền tải (TLS).Trong quá trình giao tiếp SLL/TLS, máy khách cần kiểm chứng và xác thực máy chủ Máy khách cũng

có thể cung cấp tính xác thực máy khách cho broker trong quá trình giao tiếp Broker có thể sử dụng điều này để xác thực máy khách Mặc dù không phải là một phần cụ thể của đặc trưng MQTT, nhưng các broker đã trở thành thông lệ để hỗ trợ xác thực máy khách bằng SSL/TLS phía máy khách

2.6 Các thiết bị hỗ trợ truyền thông

2.6.1 Router

Router (bộ định tuyến) là thiết bị mạng máy tính dùng để chuyển các gói dữ liệu qua môt liên mạng và đến các đầu cuối, thông qua một tiến trình gọi là “định tuyến” Nó hoạt động ở tầng (tầng giao vận) theo mô hình OSI

Hình 2.10: Bố cục mô hình OSI

Router có vai trò kết nối 2 mạng trở lên với nhau (Thông thường là 2 mạng LANs hay WANs hoặc kết nối 1 mạng LANs với mạng ISP của nó) Router có chức năng gửi các gói dữ liệu mạng giữa 2 hoặc nhiều mạng, từ một tới nhiều điểm đích đến cuối cùng

từ router Chính vì vậy, vị trí của nó trong một mạng Internet là ở nơi có 2 mạng kết nối với nhau trở lên

Về cấu tạo, Router thường bao gồm 1 hoặc nhiều cổng LAN và có thể bao gồm ten phát tín hiệu Wi-Fi Thông thường, chúng ta sẽ sử dụng Router để kết nối máy tính của mình với mạng internet (sử dụng dây mạng từ cổng LAN) hoặc sử dụng các thiết bị của mình bắt tín hiệu Wi-Fi do Router phát ra

ăng-Hình 2.11: Module router wifi

Hub phân loại là 1 Layer thiết bị trong mô hình OSI Tại lớp vật lý, trung tâm có thể

hỗ trợ rất ít trong mạng Hub không đọc bất kỳ dữ liệu đi qua chúng và không nhận thức được nguồn hoặc đích của họ Về cơ bản, một trung tâm chỉ đơn giản là nhận và gửi đến các gói tin, có thể khuếch đại các tín hiệu điện và phát sóng các gói tin này tới tất cả các thiết bị khác trên mạng

Hình 2.12: Module Hub Switch

2.7 Giới thiệu chung về PLC

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển khả trình thuộc loại điều khiển bán dẫn tự động PLC được thiết kế với một bộ xử lý trung tâm CPU, nó

quyết định tốc độ xử lý cũng như khả năng điều khiển chuyên biệt của PLC Bên cạnh

đó còn có các khối ngõ ra, ngõ vào để giúp PLC có thể nhận các tín hiệu từ cảm biến và

ra lệnh điều khiển các cơ cấu chấp hành ở ngõ ra như hình 2.13

Hình 2.13: Cấu trúc cơ bản của PLC

Các ưu điểm của PLC có thể kể đến như:

- Khả năng thay đổi chương trình điều khiển linh hoạt

- Số lượng timer và counter của PLC rất lớn, cùng nhiều hàm chức năng chuyên dụng như: phát và đếm xung tốc độ cao, bộ điều khiển PID, …

- Tiết kiệm dây nối và các thiết bị đóng cắt

- Nhiều lựa chọn cho người dùng tùy nào nhu cầu thực tế

- Khả năng truyền thông với máy tính hoặc với PLC khác Giúp mở rộng hệ thống khi cần thiết hoặc xây dựng hệ thống SCADA

- Độ tin cây cao, tuổi thọ cao, chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp Với nhiều ưu điểm nổi bật nhưng PLC vẫn có một vài nhược điểm như:

- Phạm vi ứng dụng của PLC hạn chế do giá thành cao không đáp ứng yêu cầu điều khiển đơn giản

- Yêu cầu người lắp đặt, lập trình phải có hiểu biết và chuyên môn về PLC Hiện nay trên thị trường có rất nhiều hãng sản xuất PLC nổi tiếng với chất lượng tốt như Siemens, Mitsubishi, Omron, ABB, … Nhưng hai hãng cung cấp PLC được sử dụng phổ biến nhất là Siemens (Hình 2.14) và Mitsubishi (Hình 2.15)

Hai hãng PLC này có những điểm mạnh khác nhau cũng như phương pháp lập trình cũng khác nhau

Ưu điểm của PLC Siemens:

- PLC Siemens mạnh về điều khiển quá trình và khả năng truyền thông

- Các module analog của PLC Siemens có giá thành rẻ và sử dụng đơn giản

- Truyền thông đối với PLC Siemens khá dễ dàng để thực hiện bởi Siemens đã lập trình tạo ra sẵn các khối hàm chức năng chuyên dụng để hỗ trợ tối đa cho người lập trình

Ưu điểm của PLC Mitsubishi:

- PLC của Mitsubishi có thế mạnh về điều khiển rời rạc và chuyển động

- Số lượng câu lệnh dùng cho PLC Mitsubishi vô cùng phong phú, có những câu lệnh chuyên dùng cho điều khiển vị trí hay bộ đếm tốc độ cao

Hình 2.14: Các loại PLC của Siemens

Hình 2.15: Các loại PLC của Mitsubishi

2.8 Giới thiệu thuật toán PID

Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra

Hình 2.16: Sơ đồ bộ điều khiển PID

Một bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: P (proportional) – tạo tín hiệu điều khiển

tỉ lệ với sai lệch (error – e), I (integral) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch, và D (derivative) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch

Bộ điều khiển PID là cấu trúc ghép song song giữa 3 khâu P, I và D có phương trình

vi phân của bộ PID lý tưởng:

𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖 ∫ 𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 + 𝐾𝑑.𝑑𝑒(𝑡)

𝑑𝑡

Hình 2.17: Đáp ứng của 3 khâu P,PI,PID

2.9 Cơ cấu xy lanh khí nén

Hệ thống xy lanh khí nén bao gồm hai thành phần chính là van khí nén và xy lanh, các thành phần này kết hợp với bầu chứa hơi sẽ tạo ra các chuyển động theo ý người vận hành

Van khí nén

Van khí nén là một khí cụ hoạt động thông qua việc đóng và mở van để tạo ra dòng chảy lưu động Nó có vai trò đóng, mở và giải phóng khí ra ngoài khi hoạt động Trên thị trường có nhiều loại van khí với những đặc điểm sử dụng khác nhau

Van nén khí một chiều

Môi chất trên van chỉ có thể đi theo một hướng đã được quy định Loại van này có thể thiết kế dạng cánh với piston có thể hoạt động tốt trong môi trường áp lực lớn hay môi trường có độ ăn mòn cao Đây là loại van đóng vai trò bảo vệ hệ thống đường ống hiệu quả như: Ống dẫn nước, máy bơm nước, … Một trong những đặc điểm nổi bật của van khí nén một chiều chính là khi xảy ra sự cố rò rỉ thì có thể ngăn chặn tình trạng mất mát lưu chất hiệu quả

Van khí 5/2 hay van 5/3

Các loại van khí nén 5/2 hay 5/3 còn có tên gọi khác là van điện từ khí nén hay van đảo chiều Vai trò chính của van này là điều khiển khí nén cấp vào các thiết bị khí nén Van có thiết kế ngang 5 cửa với 2 hoặc 3 vị trí Với vai trò đóng mở, thực hiện phân chia khí nén thì loại van này còn được ứng dụng nhiều trong các loại máy móc công nghiệp Cấu tạo của van 5/2 và van 5/3 như hình 2.18

Hình 2.18: Van khí nén 5/2 và 5/3

Van khí nén 3/2

Van 3/2 là loại van khí nén có 3 cửa và 2 vị trí như hình 2.19 Nó được thiết kế như một công tắc khí nén có thể quyết định dòng khí nén đi theo hướng nào và ngưng hướng lại với thời gian cực nhanh, chưa đến 1 giây

Hình 2.19: Van khí nén 3/2

Xy lanh khí nén

Xy lanh khí nén (hình 2.20) có nhiệm vụ biến đổi năng lượng thế năng hay động năng của lưu chất thành năng lượng cơ học chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay Thông thường xy lanh được lắp cố định, piston chuyển động Một số trường hợp có thể piston cố định, xy lanh chuyển động

Để thực hiện được chức năng của mình, xyalnh khí nén truyền một lực bằng cách chuyển năng lượng tiềm năng của khí nén vào động năng Điều này đạt được bởi khả năng nở rộng, không có đầu vào năng lượng bên ngoài, mà chính nó xảy ra do áp lực được thiết lập bởi khí nén đang ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển Sự giãn nở không khí này làm cho piston di chuyển theo hướng mong muốn

Hình 2.20: Một số loại xy lanh khí nén

Xy lanh được chia thành ba loại chính:

- Xy lanh tác động đơn: Đối với kiểu tác động đơn thì loại xy lanh có thể tạo ra được lực khí nén chỉ ở một hướng

- Xy lanh tác động kép: Đối với kiểu tác động kép khi hoạt đọng xy lanh sẽ có khả năng dùng lực đẩy của khí nén trong cả hai hướng của hành trình di chuyển

- Xy lanh tác động xoay: Xy lanh xoay có khả năng chuyển hóa năng lượng khí nén thành chuyển động xoay với các góc 90, 180, …

2.10 Encoder

Encoder hay còn gọi là bộ mã hóa, là một bộ cảm biến chuyển động cơ học tạo ra tín hiệu kỹ thuật số đáp ứng với chuyển động Là một thiết bị cơ điện có khả năng làm biến đổi chuyển động thành tín hiệu số hoặc xung Encoder là thiết bị quan trọng giúp chúng ta đọc được tốc độ và vị trí của động cơ, nhờ các xung vuông có tần số thay đổi phụ thuộc vào tốc độ của động cơ

Có hai loại bộ mã hóa đó là bộ mã hóa tuyến tính và mã hóa quay Encoder tuyến tính đáp ứng chuyển động dọc theo một đường dẫn, còn encoder quay thì đáp ứng với chuyển động quay

Cấu tạo encoder gồm:

- 1 đĩa quay có khoét lỗ gắn vào trục encoder

- 1 đèn led dùng làm nguồn phát sáng

- 1 mắt thu quang điện được sắp xếp thẳng hàng

- Bảng mạch điện giúp khếch đại tín hiệu

Hình 2.21: Cấu tạo encoder

Nguyên lý làm việc

Khi encoder chuyển động, bộ chuyển đổi sẽ xử lý các chuyển động và chuyển thành các tín hiệu điện Các tín hiệu này sẽ được truyền đến các thiết bị điều khiển PLC và được xử lý để biểu thị các giá trị cần đo đạc bằng chương trình riêng biệt Với các tín hiệu có ánh sáng chiếu qua hay không có ánh sáng chiếu qua thì bạn vẫn có thể biết được đèn led có chiếu qua lỗ này hay không Bên cạnh đó, số xung đếm được và tăng lên sẽ được tính bằng số lần mà ánh sáng bị cắt

Phân loại

Các loại encoder hiện nay gồm có 2 loại chính:

- Encoder kiểu tuyệt đối (absolute encoder): Encoder tuyệt đối thường được sử dụng đĩa mã nhị phân hoặc mã gray Gồm có những bộ phận sau: Bộ phát ánh sáng, bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng phát ra, đĩa mã hóa

- Encoder kiểu tương đối (incremental encoder): Encoder tương đối phát ra tín hiệu tăng dần hoặc là theo chu kỳ Về cơ bản thì encoder kiểu tuyệt đối và tương đối đều có nét giống nhau, chỉ khác nhau ở đĩa mã hóa Ở encoder tương đối, đĩa

mã hóa sẽ bao gồm 1 dải băng tạo xung, các dải băng này thường chia thành nhiều lỗ bang nhau và cách đều nhau

Hình 2.22: Phân loại encoder

2.11 Tổng quan và tính năng của HMI

HMI (Human Marchine Interface) đơn thuần là thiết bị trung gian giúp người vận hành giao tiếp với máy móc Vì vậy nó là thiết bị được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống, từ các hệ thống điện tử nhỏ như bảng điều khiển của máy giặt, bảng điều khiển của các thiết bị bếp, cho tới các màn hình điều khiển lớn của các hệ thống sử dụng trong các nhà máy sản xuất HMI được chia thành hai loại chính đó là HMI truyền thống (Hình 2.23) và HMI hiện đại (Hình 2.24)

HMI truyền thống bao gồm các thiết bị nhập thông tin như công tắc chuyển mạch, nút nhấn, … và các thiết bị xuất thông tin như đèn báo, còi, đồng hồ, … Với ưu điểm

là tính đơn giả và chi phí đầu tư thấp

Hình 2.23: HMI truyền thống

HMI hiện đại được chia thành hai loại chính là HMI trên PC và HMI trên nền các máy tính nhúng (HMI chuyên dụng), HMI hiện đại có chi phí đầu tư ban đầu cao

Hình 2.24: HMI hiện đại

Các tính năng của HMI hiện đại:

- Dễ dàng thay đổi bổ sung thông tin cần thiết

- Giúp đơn giản hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa

- Có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị với giao thức

- Tính đầy đủ, kịp thời và chính xác của thông tin

- Cho phép người dùng giám sát và vận hành máy một cách đơn giản

2.12 Nguyên tắc thiết kế HMI

Giao diện HMI khi thiết kế phải tuân thủ các nguyên tắc thiết kế đồ họa, bố cục, màu sắc và phân cấp màn hình để đảm bảo dễ dàng sử dụng đối với người vận hành

Màu sắc sử dụng cho nền của màn hình HMI không thiết kế quá nổi bật, không dùng quá nhiều màu sắc sáng và nên sử dụng gam màu tối Có một số màu sắc được quy ước khi thiết kế như sau:

- Màu đỏ thể hiện hoạt động dừng lại, khẩn cấp hoặc cấm

- Màu xanh lá thể hiện việc bắt đầu hoặc điều kiện an toàn

- Màu vàng thể hiện cảnh báo

- Màu xanh đậm là hoạt động bắt buộc

Đồ họa khi thiết kế màn hình HMI là không được sử dụng nhiều hiệu ứng, nên thiết

kế đơn giản chỉ hiển thị những thông tin quan trọng để người vận hành có thể nắm bắt thông tin dễ dàng

Bố cục khi thiết kế màn hình HMI bao gồm các thông tin, các chữ và các nút nhấn Thông tin cần gom lại trong nền trắng đặt bên phải màn hình Các đèn báo được bố trí góc trên bên trái là vị trí đầu tiên mà mắt người quét qua, giúp nhanh chóng nhận biết tình trạng hoạt động của hệ thống Các nút nhấn được đặt trong một vùng mà các nút điều khiển được đặt bên trái màn hình, các nút điều hướng được đặt ở bên góc dưới bên phải màn hình và các nút điều khiển khi sử dụng chế độ manual được đặt trong một vùng

ở khoảng giữa bên phải màn hình

2.13 Các loại HMI trên thị trường

Trên thị trường có nhiều dòng HMI đến từ các hãng khác nhau Trong đó có 2 thương hiệu nổi bật và thông dụng nhất là SIEMENS và MITSUBISHI

Tính năng của HMI Siemens (cụ thể dòng SIMATIC HMI BASIC PANELS):

- Màn hình TFT có độ phân giải 64K màu

- Có cổng kết nối USB, lưu data vào USB

- Có nhiều sự lựa chọn kích thước màn hình từ 4’’ đến 9’’

- Truyền thông PROFIBUS hoặc PROFINET

- Có thể giao tiếp với các PLC hãng khác

Tính năng của HMI Mitsubishi (GOT1000) :

- Là loại màn hình cảm ứng với kích thước khoảng 5.7 inch có hỗ trợ nhiều màu

- Được sử dụng cho tất cả các loại PLC họ MELSEC và các loại PLC khác