Báo cáo mạng truyền thông công nghiệp thiết kế hệ thống scada ứng dụng trong hệ thống sản xuất xi măng

PROFIBUS định nghĩa 3 loại giao thức là Profibus FMS, Profibus DP, Profibus PA: PROFIBUS- DP được xây dựng tối ưu cho việc kết nối các thiết bị vào ra phân tánvà các thiết bị trường với

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN

BÁO CÁO MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG SẢN XUẤT

XI MĂNG

Nhóm 1-19N36:

NGUYỄN DUY LINH HUỲNH LÊ TẤN PHÁT ĐẶNG VĂN NGHIÊM

Giáo viên : TS NGUYỄN THỊ KIM TRÚC

Đà Nẵng, 2022

Mục lục

I Giới thiệu chung 4

II Sơ đồ quy trình công nghệ 4

4

1 Khai thác & đập nguyên liệu: 4

2 Lưu kho tạm thời và đồng nhất nguyên liệu 5

3 Định lượng: 5

4 Nghiền nguyên liệu: 5

5 Đồng nhất bột liệu: 5

6 Trao đổi nhiệt và phân hủy 5

7 Nung clinke: 5

8 Làm nguội clinke: 5

9 Chứa clinke: 5

10 Nghiền clinke: 5

11 Chứa, đóng gói và vận chuyển: 6

III Hệ Scada trong nhà máy xi măng 6

1 Tổng quan hệ thống và tham chiếu mô hình theo phân cấp 6

2 Phân tích truyền thông cho từng cấp 7

2.1 Cấp trường 7

b Kiến trúc giao thức PROFIBUS: 7

c Kỹ thuật truyền: 8

d Truy cập bus 9

e Cấu trúc bức điện 10

Ký hiệu 11

2.2 Cấp điều khiển và giám sát 13

2.3 Cấp mạng công nghiệp 16

2.4 Trung tâm điều khiển và phần mềm SCADA 24

I Giới thiệu chung

Xi măng là một loại chất kết dính thủy lực, được dùng làm vật liệu xây dựng Xi măng được tạo thành bằng cách nghiền mịn clinker, thạch cao thiên nhiên và phụ gia (vỏ sò, đấtsét) Khi tiếp xúc với nước thì xảy ra các phản ứng thủy hóa và tạo thành một dạng hồ gọi

là hồ xi măng Tiếp đó, do sự hình thành của các sản phẩm thủy hóa, hồ xi măng bắt đầu quá trình ninh kết sau đó là quá trình hóa cứng để cuối cùng nhận được một dạng vật liệu

có cường độ và độ ổn định nhất định

Công dụng quan trọng nhất của xi măng chính là sản xuất vữa và bê tông, chất kết dính của các kết tủa tự nhiên hoặc nhân tạo để hình thành nên vật liệu xây dựng vững chắc, chịu được tác động thường thấy của môi trường

II Sơ đồ quy trình công nghệ

1 Khai thác & đập nguyên liệu:

Đá vôi, đất sét được khai thác từ mỏ bằng thiết bị máy khoan thủy lực Furukawa sau đó được chở bằng xe tải tới trạm đập để đập nhỏ Sau đó, đá vôi được vận chuyển về nhà máy bằng băng tải, đất sét được vận chuyển bằng đường thuỷ, đường bộ hoặc băng tải nếu mỏ gần nhà máy sản xuất.

2 Lưu kho tạm thời và đồng nhất nguyên liệu

Nguyên liệu thô sẽ được vận chuyển vào kho tròn, kho dài bằng băng tải Nguyên liệu

sẽ được đồng nhất sơ bộ nhờ thiết bị rải đống

3 Định lượng:

Các nguyên liệu và phụ gia được định lượng theo tỷ lệ thành phần hoá học xác định sau đó cung cấp hỗn hợp nguyên liệu này tới máy nghiền liệu

4 Nghiền nguyên liệu:

Nguyên liệu được nghiền trong máy nghiền liệu tới độ mịn yêu cầu Bột liệu sau khi nghiền được đưa tới si lô đồng nhất bột liệu

5 Đồng nhất bột liệu:

Bột liệu được đồng nhất về thành phần hoá học và chứa trong si lô đồng nhất, từ đó bột liệu được cấp tới tháp trao đổi nhiệt

6 Trao đổi nhiệt và phân hủy

Bột liệu được sấy, nung sơ bộ trong tháp trao đổi nhiệt và phân hủy CaCO3

7 Nung clinke:

Bột liệu tiếp tục được nung trong lò quay tới nhiệt độ khoảng 1450°C

để thực hiện các phản ứng hoá học tạo thành clinke

8 Làm nguội clinke:

Clinke ra khỏi lò nung có nhiệt độ khoảng 1300°C xả xuống thiết bị làm nguội để làm nguội giảm tới nhiệt độ khoảng 950°C Nhiệt lượng tỏa ra trong qúa trình làm nguội clinke đều được thu hồi dùng cho quá trình đốt cháy nhiên liệu than

11 Chứa, đóng gói và vận chuyển:

Xi măng thành phẩm được chuyển tới silô chứa xi măng Từ đó xi măng sẽ được đóngbao, hoặc xuất rời theo đường bộ, đường thủy

III Hệ Scada trong nhà máy xi măng

1 Tổng quan hệ thống và tham chiếu mô hình theo phân cấp

Để quản lý hệ thống một cách đồng bộ, tin cậy, đáp ứng được thời gian thực thì hệ thống phải tổ chức như thế nào về vấn đề kết nối, phân chia nhiệm vụ làm việc và phải có độ dựphòng cao Tất cả những vấn đề này đòi hỏi phải có một hệ thống mở và đa nhiệm

Hệ trong nhà máy được nhóm chia như sau:

Tầng trên cùng là các trạm vận hành để điều khiển và giám sát các công đoạn sau : Chứa

và vận chuyển nguyên liệu ; đồng nhất bột liệu và cung cấp cho lò nung ; làm nguội clanhke, kho chứa xuất clanhke và các bộ phận dịch vụ; nghiền xi măng; nghiền than các trạm đập đá vôi, đá shake; vận chuyển và chứa phụ gia ; đóng bao, xuất xi măng bao và

xi măng rời; cảng nhà máy; các trạm điện của toàn nhà máy Hệ thống thiết kế sao cho mỗi trạm vận hành có thể kiểm tra và giám sát từ hai công đoạn trở lên

Tất cả các máy chủ, trạm vận hành, phòng quản lí, được kết nối như một mạng LAN theo chuẩn Ethernet (TCP/IP)

Các khu là các PLC S7-300, một số được đặt các trạm điện của nhà máy các khu vực quan trọng điều được trang bị PLC với hai Processer/CPU

Các tủ phân tán RPC (Remote Periprery Centrer) chứa các module phân tán ET200 , tủ điều khiển động cơ trung tâm MCC (Motor Control Centrer) chứa các bộ biến tần các tủ máy cắt Được lắp đặt tại các phòng điện của các khu vực sản xuất Số I/O phù hợp với từng cụm thiết bị, ngoài ra còn có 20% dự phòng

Các trạm điều khiển quá trình này được nối với tuyến cáp dữ liệu kép để đưa về hệ thống hai Connectivity Server với các trạm vận hành và điều khiển quá trình liên hệ với nhau bằng hệ thống cáp quan kép loại sợi thuỷ tinh chuẩn Ethernet (TCP/IP) Mạng này gọi là Cleint/server Network

Tất cả CPU đều đưa về S7-300 thông qua tuyến cáp quang tiêu chuẩn Profibus DP Phân cấp thiết bị Giao thức truyền thông Các thiết bị

Cấp mạng công nghiệp Ethernet TCP/IP Các route kết nối và cáp

ethernet, màn hình hiểnthị PC

Cấp điều khiển và giám sát Profibus FMS Module truyền thông, các

cáp kết nốiCấp trường Profibus-DP Module kết nối, PLC, các

PROFIBUS định nghĩa 3 loại giao thức là Profibus FMS, Profibus DP, Profibus PA:

 PROFIBUS- DP được xây dựng tối ưu cho việc kết nối các thiết bị vào ra phân tán

và các thiết bị trường với các máy tính điều khiển

 PROFIBUS –PA là kiểu đặc biệt được sử dụng ghép nối trực tiếp các thiết bịtrường trong các lĩnh vực tự động hóa các quá trình có môi trường dễ cháy nổ, đặcbiệt trong công nghiệp chế biến Thực chất PROFIBUS- PA chính là sự mở rộngPROFIBUS –DP xuống cấp trường cho lĩnh vực công nghiệp chế biến

b Kiến trúc giao thức PROFIBUS:

Chỉ thực hiện các lớp 1, 2, 7 theo mô hình quy chiếu OSI Tuy nhiên PROFIBUS DP và

PA bỏ qua cả lớp 7 nhằm tối ưu hóa việc trao đổi dữ liệu quá trình giữa cấp điều khiển vàcấp chấp hành Một số chức năng còn thiếu được bổ sung qua lớp giao diện sử dụng nằmtrên lớp 7 Bên cạnh các hàm dịch vụ DP cơ sở và mở rộng được quy định tại lớp giaodiện sử dụng, hiệp hội PI còn đưa ra một số quy định chuyên biệt về đặc tính và chứcnăng đặc thù của thiết bị cho một số ứng dụng tiêu biểu Các đặc tả này nhằm mục đíchtạo khả năng tương tác và thay thế lẫn nhau của thiết bị từ nhiều nhà sản xuất Cả 2 giaothức DP, PA đều có chung lớp liên kết dữ liệu

Kiến trúc giao thức của profibus

 Lớp vật lí của PROFIBUS quy định về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, môi trườngtruyền dẫn, cấu trúc mạng và các giao diện cơ học

 Lớp liên kết dữ liệu ở PROFIBUS được gọi là FDL( Field Data Link), có chứcnăng kiểm soát truy nhập Bus, cung cấp các dịch vụ cơ bản( cấp thấp) cho việctrao đổi dữ liệu một cách tin cậy, không phụ thuộc vào phương pháp truyền dẫn ởlớp vật lý

c Kỹ thuật truyền:

 Truyền dẫn với RS-485: Chuẩn PROFIBUS theo IEC 61158 quy định các đặctính điện học và cơ học của giao diện RS-485 cũng như môi trường truyền thông,trên cơ sở đó các ứng dụng có thể lựa chọn các thông số thích hợp Các đặc tínhđiện học bao gồm:

• Tốc độ truyền thông từ 9,6 kbit/s đến 12 MBit/s

• Cấu trúc đường thẳng kiểu đường trục/đường nhánh (trunk-line/drop-line)hoặc daisy-chain, trong đó các tốc độ truyền từ 1,5 Mbit/s trở lên yêu cầucấu trúc daisy-chain

• Cáp truyền được sử dụng là đôi dây xoắn có bảo vệ (STP) Hiệp hội PIkhuyến cáo dùng cáp loại A

• Trở kết thúc có dạng tin cậy (fail-safe biasing ) với các điện trở lần lượt là390Ω- 220Ω-390Ω

• Chiều dài tối đa của một đoạn mạng từ 100 đến 1200m, phụ thuộc vào tốc

độ truyền được lựa chọn Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài tối đa củamột đoạn mạng được tóm tắt trong bảng 4.1

• Số lượng tối đa các trạm trong mỗi đoạn mạng là 32 Có thể dùng tối đa 9

bộ lặp tức 10 đoạn mạng Tổng số trạm tối đa trong một mạng là 126

• Chế độ truyền tải không đồng bộ và hai chiều không đồng thời

• Phương pháp mã hóa bit NRZ

 Truyền dẫn với RS-485IS:

 Truyền dẫn với cáp quang

 Truyền dẫn với MBP

d Truy cập bus

 DP: đồng đẳng (peer-to-peer), multicast hay master-slave theo chu kỳ (sử dụng kỹthuật token passing)

 PA: khách/chủ (client/server), Publisher/subscriber, sự kiện (event)

Hai phương pháp truy nhập bus có thể áp dụng độc lập hay kết hợp là Token-passing vàMaster/Slave Nếu áp dụng độc lập, Token- passing thích hợp với các mạng FMS dùngghép nối các thiết bị điều khiển và máy tính giám sát đẳng quyền, trong khi Master/Slavethích hợp với việc trao đổi dữ liệu giữa một thiết bị điều khiển với các thiết bị trường cấpdưới sử dụng mạng DP hoặc PA Khi sử dụng kết hợp nhiều trạm chủ có thể tham gia giữToken Một trạm chủ giữ Token sẽ đóng vai trò là chủ để kiểm soát giao tiếp với các trạmtới nó quản lý, hoặc có thể tự do giao tiếp các trạm chủ khác trong mạng

Cấu hình Multi-Master trong Profibus

e Cấu trúc bức điện

Một bức điện (Telegram) trong giao thức thuộc lớp 2 của Profibus được gọi là khung Baloại khung có khoảng cách Hamming 4 (HD = 4) và một loại khung đặc biệt đánh dấumột Token được quy định như sau:

 Khung với chiều dài thông tin cố định, không mang dữ liệu:

Các ô DA, SA, FC và DU (nếu có) được coi là phần mạng thông tin Trừ ô DU, mỗi ôcòn lại trong một bức điện điều có chiều dài 8 bit( tức một ký tự) với các ý nghĩa cụ thểnhư sau

Bảng ngữ nghĩa khung bức điện FDL

LE Length Chiều dài thông tin (4 -249 byte)

LER Length repeated Chiều dài thông tin nhắc lại vì lý do an toàn

DA Destination

Address

Địa chỉ đích (trạm nhận), từ 0-127

SA Source Address Địa chỉ nguồn (trạm gửi), từ 0-126

DU Data Unit Khối dữ liệu sử dụng

FC Frame Control Byte điều khiển khung

FCS Frame Check

Sequence

Byte kiểm soát lỗi, HD = 4

ED End Delimiter Byte kết thúc, ED = 16H

Byte điều khiển khung ( FC) dùng để phân biệt các kiểu bức điện, ví dụ bức điện gửi hayyêu cầu dữ liệu ( Send or/and Request) cũng như xác nhận hay đáp ứng

(Acknowledgement/ Response) Bên cạnh đó, byte FC còn chứa thông tin về việc thựchiện hàm truyền, kiểm soát lưu thông để tránh việc mất mát hoặc gửi đúp dữ liệu cũngnhư thông tin kiểm trạm, trạng thái FDL

Trong trường hợp gửi dữ liệu với xác nhận ( SDA) , bên nhận có thể dùng một ký tự duynhất SC=E5H để xác nhận Kí tự duy nhất SC này cũng được sử dụng để trả lời yêu cầu

dữ liệu( SRD) trong trường hợp bên được yêu cầu không có dữ liệu đáp ứng

f Tính chọn thiết bị ( có sửa đổi)

 Number/number: tối đa 16384/16384

 Các kênh tương tự: tối đa 1024/1024

 Truyền thông: Profibus DP

 Size: 80x125x130

 Thông số kỹ thuật module ET200

Chọn dùng cáp RS-485:

Thông số của RS-485

Cấu tạo của RS-485Nguyên lý hoạt động của RS485 khá đơn giản, dữ liệu sẽ được truyền qua 2 dây khi xoắnlại với nhau, dây này được gọi là cáp xoắn Khi dây được xoắn lại sẽ tạo cho RS485 khả năng chống nhiễu cao và khả năng truyền tín hiệu đường dài tốt hơn

RS485 được chia làm 2 loại cấu hình, hiện đang được sử dụng nhiều nhất hiện nay là cấu hình 2 dây và cấu hình 4 dây

Hình ảnh RS- 485 kết nối với các thiết bị khác2.2 Cấp điều khiển và giám sát

Mặc dù PROFIBUS-FMS không được chuẩn hóa trong IEC 61158 và một phần vì thế vaitrò của nó cũng mờ nhạt dần trong các phát triển tiếp theo, ứng dụng của nó đã có một vaitrò nhất định trong một số lĩnh vực công nghiệp chế tạo, lắp ráp Sử dụng PROFIBUS-FMS là bus hệ thống, các máy tính điều khiển có thể được ghép nối theo cấu hình nhiều chủ để giao tiếp với nhau và với các thiết bị trường thông minh dưới hình thức gửi các thông báo Ở đây, phạm vi chức năng, dịch vụ cao cấp là tính năng được coi trọng hơn so với thời gian phản ứng của hệ thống Do đặc điểm của các ứng dụng trên cấp điều khiển

và điều khiển giám sát, dữ liệu được trao đổi chủ yếu với tính chất không định kỳ Đối chiếu với mô hình OSI, lớp ứng dụng của PROFIBUS-FMS bao gồm hai lớp con là FMS

và LLI (Lower Layer Interface) Bởi các lớp từ 3 đến 6 không xuất hiện ở đây, lớp LLI cóvai trò thích ứng, chuyển dịch các dịch vụ giữa lớp FMS và lớp FDL (lớp 2) Giao diện giữa FMS với các quá trình ứng dụng được thực hiện bởi lớp ALI (Application Layer Interface)

FMS (Fieldbus Message Specification) thực chất là một tập con của MMS

(Manufacturing Message Specification), một chuẩn giao thức và dịch vụ lớp 7 theo mô hình OSI cho kiểu giao tiếp hướng thông báo (message-oriented communication) được ápdụng rộng rãi trong công nghiệp Cũng như các giao thức khác, FMS không chỉ chuẩn hóa ý nghĩa của các thông báo (ngữ nghĩa), mà còn cả cấu trúc bức điện của các thông báo (cú pháp)

 Giao tiếp hướng đối tượng:

PROFIBUS-FMS cho phép thực hiện các hoạt động giao tiếp hướng đối tượng theo cơ chế Client/Server Ở đây, ý nghĩa của phương thức hướng đối tượng là quan điểm thống nhất trong giao tiếp dữ liệu, không phụ thuộc vào các đặc điểm của nhà sản xuất thiết bị hay của lĩnh vực ứng dụng cụ thể

Các phần tử có thể truy nhập được từ một trạm trong mạng, đại diện cho các đối tượngthực hay các biến quá trình được gọi là các đối tượng giao tiếp Ví dụ, giá trị đo của một cảm biến nhiệt hoặc trạng thái logic của một van đóng/mở có thể được đại diện qua các đối tượng giao tiếp tương ứng Các thành viên trong mạng giao tiếp thông qua các đối tượng này

Việc truy nhập các đối tượng có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau Phương pháp hiệu quả nhất là sử dụng chỉ số đối tượng (object index), còn gọi là phương pháp định địa chỉ logic Chỉ số có thể coi là căn cước của một đối tượng nội trong một thành viên của mạng, được biểu diễn bằng một số thứ tự 16 bit Nhờ vậy, các khung thông báo

sẽ có chiều dài ngắn nhất so với các phương pháp khác Một khả năng thứ hai là truy nhập thông qua tên hình thức (nhãn) của đối tượng, hay còn gọi là tag Mỗi đối tượng có một tên hình thức phân biệt thống nhất Phương pháp này thể hiện ưu điểm ở tính trực quan, dễ theo dõi trong quá trình thực hiện một dự án

 Quan hệ giao tiếp:

Ngoại trừ các hình thức gửi đồng loạt (broadcast và multicast), việc trao đổi thông tin trong FMS luôn được thực hiện giữa hai đối tác truyền thông dưới hình thức có nối theo

cơ chế Client/Server Một client được hiểu là một chương trình ứng dụng (nói chính xác hơn là một quá trình ứng dụng) gửi yêu cầu để truy nhập các đối tượng Còn một server chính là một chương trình cung cấp các dịch vụ truyền thông thông qua các đối tượng Mối quan hệ giao tiếp giữa một client và một server được gọi là một kênh logic Về nguyên tắc, một chương trình ứng dụng có thể đóng cả hai vai trò là client và server Mỗi thành viên trong mạng có thể đồng thời có nhiều quan hệ giao tiếp với cùng một thành viên khác, hoặc với các thành viên khác nhau Mỗi quan hệ giao tiếp được mô tả bởi một số các thông số trong một communication reference (CR), bao gồm địa chỉ trạm đối tác (remote addresss), điểm truy nhập dịch vụ (service access point, SAP), các loại dịch vụ được hỗ trợ và chiều dài các bộ nhớ đệm Mỗi CR phải được người sử dụng định nghĩa trong quá trình thực hiện dự án, trước khi mạng đưa vào hoạt động Tất cả các

CR của một thành viên cần được đưa vào một danh sách quan hệ giao tiếp

(communication relationship list, CRL) Trước khi hai đối tác thực hiện truyền thông, chúng phải tạo một kênh tương ứng Khi đó các thông số định nghĩa trong CR sẽ được hai bên kiểm tra để khẳng định tính tương thích

 Dịch vụ truyền thông:

Với mục đích hỗ trợ nhiều thể loại ứng dụng mạng khác nhau, PROFIBUS-FMS chuẩn hóa một loạt các dịch vụ, có thể chia thành hai phạm trù là các dịch vụ ứng dụng

và các dịch vụ quản trị Các dịch vụ ứng dụng bao gồm:

• Variable Access: Truy nhập dữ liệu

• Program Invocation: Đối tượng chương trình, liên kết các domain thành một chương trình và kiểm soát các hoạt động của chương trình

• Domain Management: Quản lý miền nhớ, truyền nạp và quản lý các vùng nhớ có liên kết logic

• Event Management: Hỗ trợ xử lý sự kiện (kiểm soát bởi các chương trình ứng dụng) Các dịch vụ quản lý gồm có:

• VFD Support: Hỗ trợ thiết bị ảo, cung cấp thông tin về các thiết bị trường thông qua đốitượng thiết bị trường ảo VFD (Virtual Field Device)

• Object List Management: Quản lý danh mục các đối tượng

• Context Management: Quản lý ngữ cảnh, có nghĩa là quản lý các mối liên kết (tạo nối, ngắt nối)