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 II Sơ đồ quy trình cơng nghệ Khai thác & đập nguyên liệu: Lưu kho tạm thời đồng nguyên liệu Định lượng: Nghiền nguyên liệu: 5 Đồng bột liệu: Trao đổi nhiệt phân hủy Nung clinke: Làm nguội clinke: Chứa clinke: .5 10 Nghiền clinke: 11 Chứa, đóng gói vận chuyển: III Hệ Scada nhà máy xi măng Tổng quan hệ thống tham chiếu mô hình theo phân cấp Phân tích truyền thơng cho cấp .7 2.1 Cấp trường b Kiến trúc giao thức PROFIBUS: c Kỹ thuật truyền: d Truy cập bus e Cấu trúc điện 10 Ký hiệu .11 2.2 Cấp điều khiển giám sát .13 2.3 Cấp mạng công nghiệp 16 2.4 Trung tâm điều khiển phần mềm SCADA 24 Nhó m 1_19N36 Page I Giới thiệu chung Xi măng loại chất kết dính thủy lực, dùng làm vật liệu xây dựng Xi măng tạo thành cách nghiền mịn clinker, thạch cao thiên nhiên phụ gia (vỏ sò, đất sét) Khi tiếp xúc với nước xảy phản ứng thủy hóa tạo thành dạng hồ gọi hồ xi măng Tiếp đó, hình thành sản phẩm thủy hóa, hồ xi măng bắt đầu q trình ninh kết sau q trình hóa cứng để cuối nhận dạng vật liệu có cường độ độ ổn định định Công dụng quan trọng xi măng sản xuất vữa bê tơng, chất kết dính kết tủa tự nhiên nhân tạo để hình thành nên vật liệu xây dựng vững chắc, chịu tác động thường thấy môi trường II Sơ đồ quy trình cơng nghệ Khai thác & đập ngun liệu: Nhó m 1_19N36 Page Đá vôi, đất sét khai thác từ mỏ thiết bị máy khoan thủy lực Furukawa sau chở xe tải tới trạm đập để đập nhỏ Sau đó, đá vơi vận chuyển nhà máy băng tải, đất sét vận chuyển đường thuỷ, đường băng tải mỏ gần nhà máy sản xuất Lưu kho tạm thời đồng nguyên liệu Nguyên liệu thô vận chuyển vào kho tròn, kho dài băng tải Nguyên liệu đồng sơ nhờ thiết bị rải đống Định lượng: Các nguyên liệu phụ gia định lượng theo tỷ lệ thành phần hố học xác định sau cung cấp hỗn hợp nguyên liệu tới máy nghiền liệu Nghiền nguyên liệu: Nguyên liệu nghiền máy nghiền liệu tới độ mịn yêu cầu Bột liệu sau nghiền đưa tới si lô đồng bột liệu Đồng bột liệu: Bột liệu đồng thành phần hố học chứa si lơ đồng nhất, từ bột liệu cấp tới tháp trao đổi nhiệt Trao đổi nhiệt phân hủy Bột liệu sấy, nung sơ tháp trao đổi nhiệt phân hủy CaCO3 Nung clinke: Bột liệu tiếp tục nung lò quay tới nhiệt độ khoảng 1450°C để thực phản ứng hoá học tạo thành clinke Làm nguội clinke: Clinke khỏi lị 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 qúa trình làm nguội clinke thu hồi dùng cho trình đốt cháy nhiên liệu than Chứa clinke: Clinke sau làm nguội vận chuyến đến silơ chứa clinke Sau clinke xuất theo đường thuỷ đưa tới công đoạn nghiền xi măng 10 Nghiền clinke: Clinke, phụ gia định lượng theo tỷ lệ xác đưa tới máy nghiền để nghiền thành sản phẩm xi măng Nhó m 1_19N36 Page 11 Chứa, đóng gói vận chuyển: Xi măng thành phẩm chuyển tới silơ chứa xi măng Từ xi măng đóng bao, xuất rời theo đường bộ, đường thủy III Hệ Scada nhà máy xi măng Tổng quan hệ thống tham chiếu mơ hình theo phân cấp Để quản lý hệ thống cách đồng bộ, tin cậy, đáp ứng thời gian thực hệ thống phải tổ chức vấn đề kết nối, phân chia nhiệm vụ làm việc phải có độ dự phòng cao Tất vấn đề đòi hỏi phải có hệ thống mở đa nhiệm Hệ nhà máy nhóm chia sau: Tầng trạm vận hành để điều khiển giám sát công đoạn sau : Chứa vận chuyển nguyên liệu ; đồng bột liệu cung cấp cho lò nung ; làm nguội clanhke, kho chứa xuất clanhke phận dịch vụ; nghiền xi măng; nghiền than trạm đập đá vôi, đá shake; vận chuyển chứa phụ gia ; đóng bao, xuất xi măng bao xi măng rời; cảng nhà máy; trạm điện toàn nhà máy Hệ thống thiết kế cho trạm vận hành kiểm tra giám sát từ hai công đoạn trở lên Tất máy chủ, trạm vận hành, phòng quản lí, kết nối mạng LAN theo chuẩn Ethernet (TCP/IP) Các khu PLC S7-300, số đặt trạm điện nhà máy khu vực quan trọng điều trang bị PLC với hai Processer/CPU Nhó m 1_19N36 Page Các tủ phân tán RPC (Remote Periprery Centrer) chứa module phân tán ET200 , tủ điều khiển động trung tâm MCC (Motor Control Centrer) chứa biến tần tủ máy cắt Được lắp đặt phòng điện khu vực sản xuất Số I/O phù hợp với cụm thiết bị, ngồi cịn có 20% dự phịng Các trạm điều khiển q trình nối với tuyến cáp liệu kép để đưa hệ thống hai Connectivity Server với trạm vận hành điều khiển trình liên hệ với hệ thống cáp quan kép loại sợi thuỷ tinh chuẩn Ethernet (TCP/IP) Mạng gọi Cleint/server Network Tất CPU đưa 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 cáp Cấp điều khiển giám sát Profibus FMS ethernet, hình hiển Cấp trường Profibus-DP thị PC Module truyền thông, cáp kết nối Module kết nối, PLC, thiết bị chấp hành Phân tích truyền thơng cho cấp 2.1 Cấp trường a Công nghệ Profibus PROFIBUS bus trường chuẩn mở rộng, không phụ thuộc vào nhà sản xuất dùng cho ứng dụng tự động hố xử lý Sự độc lập tính mở rộng đảm bảo theo tiêu chuẩn quốc tế EN 50170 EN 50254 PROFIBUS cho phép truyền thông thiết bị nhà sản xuất khác khơng địi hỏi giao tiếp đặc biệt PROFIBUS khơng sử dụng cho ứng dụng nhanh theo chu kỳ mà cịn cho nhiệm vụ truyền thơng đặc biệt khác PROFIBUS định nghĩa loại giao thức Profibus FMS, Profibus DP, Profibus PA: PROFIBUS- DP xây dựng tối ưu cho việc kết nối thiết bị vào phân tán thiết bị trường với máy tính điều khiển PROFIBUS –PA kiểu đặc biệt sử dụng ghép nối trực tiếp thiết bị trường lĩnh vực tự động hóa q trình có mơi trường dễ cháy nổ, đặc biệt cơng nghiệp chế biến Thực chất PROFIBUS- PA mở rộng PROFIBUS –DP xuống cấp trường cho lĩnh vực công nghiệp chế biến b Kiến trúc giao thức PROFIBUS: Page Nhó m 1_19N36 Chỉ thực lớp 1, 2, theo mô hình quy chiếu OSI Tuy nhiên PROFIBUS DP PA bỏ qua lớp nhằm tối ưu hóa việc trao đổi liệu trình cấp điều khiển cấp chấp hành Một số chức thiếu bổ sung qua lớp giao diện sử dụng nằm lớp Bên cạnh hàm dịch vụ DP sở mở rộng quy định lớp giao diện sử dụng, hiệp hội PI đưa số quy định chuyên biệt đặc tính chức đặc thù thiết bị cho số ứng dụng tiêu biểu Các đặc tả nhằm mục đích tạo khả tương tác thay lẫn thiết bị từ nhiều nhà sản xuất Cả giao thức DP, PA có chung lớp liên kết liệu Kiến trúc giao thức profibus Lớp vật lí PROFIBUS quy định kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, mơi trường truyền dẫn, cấu trúc mạng giao diện học Lớp liên kết liệu PROFIBUS gọi FDL( Field Data Link), có chức kiểm soát truy nhập Bus, cung cấp dịch vụ bản( cấp thấp) cho việc trao đổi liệu cách tin cậy, không phụ thuộc vào phương pháp truyền dẫn lớp vật lý c Kỹ thuật truyền: Truyền dẫn với RS-485: Chuẩn PROFIBUS theo IEC 61158 quy định đặc tính điện học học giao diện RS-485 môi trường truyền thông, sở ứng dụng lựa chọn thơng số thích hợp Các đặc tính điện học bao gồm: • Tốc độ truyền thơng từ 9,6 kbit/s đến 12 MBit/s • Cấu trúc đường thẳng kiểu đường trục/đường nhánh (trunk-line/drop-line) daisy-chain, tốc độ truyền từ 1,5 Mbit/s trở lên yêu cầu cấu trúc daisy-chain Nhó m 1_19N36 Page • Cáp truyền sử dụng đơi dây xoắn có bảo vệ (STP) Hiệp hội PI khuyến cáo dùng cáp loại A • Trở kết thúc có dạng tin cậy (fail-safe biasing ) với điện trở 390Ω- 220Ω-390Ω • Chiều dài tối đa đoạn mạng từ 100 đến 1200m, phụ thuộc vào tốc độ truyền lựa chọn Quan hệ tốc độ truyền chiều dài tối đa đoạn mạng tóm tắt bảng 4.1 • Số lượng tối đa trạm đoạn mạng 32 Có thể dùng tối đa lặp tức 10 đoạn mạng Tổng số trạm tối đa mạng 126 • Chế độ truyền tải không đồng 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 kỹ thuật token passing) PA: khách/chủ (client/server), Publisher/subscriber, kiện (event) Hai phương pháp truy nhập bus áp dụng độc lập hay kết hợp Token-passing Master/Slave Nếu áp dụng độc lập, Token- passing thích hợp với mạng FMS dùng ghép nối thiết bị điều khiển máy tính giám sát đẳng quyền, Master/Slave thích hợp với việc trao đổi liệu thiết bị điều khiển với thiết bị trường cấp sử dụng mạng DP PA Khi sử dụng kết hợp nhiều trạm chủ tham gia giữ Token Một trạm chủ giữ Token đóng vai trị chủ để kiểm sốt giao tiếp với trạm tới quản lý, tự giao tiếp trạm chủ khác mạng Nhó m 1_19N36 Page Cấu hình Multi-Master Profibus e Cấu trúc điện Một điện (Telegram) giao thức thuộc lớp Profibus gọi khung Ba loại khung có khoảng cách Hamming (HD = 4) loại khung đặc biệt đánh dấu Token quy định sau: Khung với chiều dài thông tin cố định, không mang liệu: SD1 DA S FC FCS ED A Khung với chiều dài thông tin cố định, mang byte liệu: SD DA S FC DU FCS ED A Khung với chiều dài thông tin khác nhau, với 1- 264 byte liệu: SD2 LE LER SD2 DA SA FC DU FCS ED Token SD4 D SA Nhó m 1_19N36 Page A Các ô DA, SA, FC DU (nếu có) coi phần mạng thơng tin Trừ DU, cịn lại điện điều có chiều dài bit( tức ký tự) với ý nghĩa cụ thể sau Bảng ngữ nghĩa khung điện FDL Ký Tên đầy đủ Ý nghĩa hiệu SD1- Start Delimiter Byte đầu, phân biệt loại khung SD1 = 10H, SD4 SD2 = 68H, SD3 = A2H, SD4= DCH LE Length Chiều dài thông tin (4 -249 byte) LER Length repeated Chiều dài thơng tin nhắc lại lý an tồn DA Destination Địa đích (trạm nhận), từ 0-127 Address SA Source Address Địa nguồn (trạm gửi), từ 0-126 DU Data Unit Khối liệu sử dụng FC Frame Control Byte điều khiển khung FCS Frame Check Byte kiểm soát lỗi, HD = Sequence ED End Delimiter Byte kết thúc, ED = 16H Byte điều khiển khung ( FC) dùng để phân biệt kiểu điện, ví dụ điện gửi hay yêu cầu liệu ( Send or/and Request) xác nhận hay đáp ứng Nhó m 1_19N36 Page 10 Thông số RS-485 Cấu tạo RS-485 Nguyên lý hoạt động RS485 đơn giản, liệu truyền qua dây xoắn lại với nhau, dây gọi cáp xoắn Khi dây xoắn lại tạo cho RS485 khả chống nhiễu cao khả truyền tín hiệu đường dài tốt RS485 chia làm loại cấu hình, sử dụng nhiều cấu hình dây cấu hình dây Nhó m 1_19N36 Page 12 Nhó m 1_19N36 Page 13 Hình ảnh RS- 485 kết nối với thiết bị khác 2.2 Cấp điều khiển giám sát Mặc dù PROFIBUS-FMS khơng chuẩn hóa IEC 61158 phần vai trị mờ nhạt dần phát triển tiếp theo, ứng dụng có vai trị định số lĩnh vực công nghiệp chế tạo, lắp ráp Sử dụng PROFIBUS- FMS bus hệ thống, máy tính điều khiển ghép nối theo cấu hình nhiều chủ để giao tiếp với với thiết bị trường thơng minh hình thức gửi thông báo Ở đây, phạm vi chức năng, dịch vụ cao cấp tính coi trọng so với thời gian phản ứng hệ thống Do đặc điểm ứng dụng cấp điều khiển điều khiển giám sát, liệu trao đổi chủ yếu với tính chất khơng định kỳ Đối chiếu với mơ hình OSI, lớp ứng dụng PROFIBUS-FMS bao gồm hai lớp FMS LLI (Lower Layer Interface) Bởi lớp từ đến không xuất đây, lớp LLI có vai trị thích ứng, chuyển dịch dịch vụ lớp FMS lớp FDL (lớp 2) Giao diện FMS với trình ứng dụng thực lớp ALI (Application Layer Interface) Nhó m 1_19N36 Page 14 FMS (Fieldbus Message Specification) thực chất tập MMS (Manufacturing Message Specification), chuẩn giao thức dịch vụ lớp theo mơ hình OSI cho kiểu giao tiếp hướng thông báo (message-oriented communication) áp dụng rộng rãi công nghiệp Cũng giao thức khác, FMS không chuẩn hóa ý nghĩa thơng báo (ngữ nghĩa), mà cấu trúc điện thông báo (cú pháp) Giao tiếp hướng đối tượng: PROFIBUS-FMS cho phép thực hoạt động giao tiếp hướng đối tượng theo chế Client/Server Ở đây, ý nghĩa phương thức hướng đối tượng quan điểm thống giao tiếp liệu, không phụ thuộc vào đặc điểm nhà sản xuất thiết bị hay lĩnh vực ứng dụng cụ thể Các phần tử truy nhập từ trạm mạng, đại diện cho đối tượng thực hay biến trình gọi đối tượng giao tiếp Ví dụ, giá trị đo cảm biến nhiệt trạng thái logic van đóng/mở đại diện qua đối tượng giao tiếp tương ứng Các thành viên mạng giao tiếp thông qua đối tượng Việc truy nhập đối tượng thực theo nhiều cách khác Phương pháp hiệu sử dụng số đối tượng (object index), gọi phương pháp định địa logic Chỉ số coi cước đối tượng nội thành viên mạng, biểu diễn số thứ tự 16 bit Nhờ vậy, khung thông báo có chiều dài ngắn so với phương pháp khác Một khả thứ hai truy nhập thơng qua tên hình thức (nhãn) đối tượng, hay cịn gọi tag Mỗi đối tượng có tên hình thức phân biệt thống Phương pháp thể ưu điểm tính trực quan, dễ theo dõi q trình thực dự án Nhó m 1_19N36 Page 15 Quan hệ giao tiếp: Ngoại trừ hình thức gửi đồng loạt (broadcast multicast), việc trao đổi thông tin FMS thực hai đối tác truyền thơng hình thức có nối theo chế Client/Server Một client hiểu chương trình ứng dụng (nói xác q trình ứng dụng) gửi yêu cầu để truy nhập đối tượng Cịn server chương trình cung cấp dịch vụ truyền thông thông qua đối tượng Mối quan hệ giao tiếp client server gọi kênh logic Về nguyên tắc, chương trình ứng dụng đóng hai vai trò client server Mỗi thành viên mạng đồng thời có nhiều quan hệ giao tiếp với thành viên khác, với thành viên khác Mỗi quan hệ giao tiếp mô tả số thông số communication reference (CR), bao gồm địa trạm đối tác (remote addresss), điểm truy nhập dịch vụ (service access point, SAP), loại dịch vụ hỗ trợ chiều dài nhớ đệm Mỗi CR phải người sử dụng định nghĩa trình thực dự án, trước mạng đưa vào hoạt động Tất CR thành viên cần đưa vào danh sách quan hệ giao tiếp (communication relationship list, CRL) Trước hai đối tác thực truyền thông, chúng phải tạo kênh tương ứng Khi thơng số định nghĩa CR hai bên kiểm tra để khẳng định tính tương thích Dịch vụ truyền thơng: Với mục đích hỗ trợ nhiều thể loại ứng dụng mạng khác nhau, PROFIBUS-FMS chuẩn hóa loạt dịch vụ, chia thành hai phạm trù dịch vụ ứng dụng dịch vụ quản trị Các dịch vụ ứng dụng bao gồm: • Variable Access: Truy nhập liệu • Program Invocation: Đối tượng chương trình, liên kết domain thành chương trình kiểm sốt hoạt động chương trình • Domain Management: Quản lý miền nhớ, truyền nạp quản lý vùng nhớ có liên kết logic • Event Management: Hỗ trợ xử lý kiện (kiểm sốt chương trình ứng dụng) Các dịch vụ quản lý gồm có: • VFD Support: Hỗ trợ thiết bị ảo, cung cấp thông tin thiết bị trường thông qua đối tượng thiết bị trường ảo VFD (Virtual Field Device) • Object List Management: Quản lý danh mục đối tượng • Context Management: Quản lý ngữ cảnh, có nghĩa quản lý mối liên kết (tạo nối, ngắt nối) Nhó m 1_19N36 Page 16 2.3 Cấp mạng công nghiệp a Ethernet/IP gì? ( sửa đổi) Ethernet/IP thực chất bao gồm: EtherNet IP (Industrial Protocol) Không giống nhiều giải pháp Ethernet công nghiệp khác, Ethernet/IP sử dụng giao thức mở sẵn có, chấp thuận rộng rãi CIP Có thể hiểu Ethernet/IP thân CIP mạng Ethernet TCP/IP, giống DeviceNet thân CIP mạng CAN (Controller Area Network) Thuật ngữ Ethernet quy vào họ sản phẩm mạng LAN thuộc chuẩn 802.3 định nghĩa giao thức CSMA/CD (Carrier Sence MultiplAccess/Collision Detect) Hiện có tốc độ liệu định nghĩa cho hoạt động cáp sợi quang: 10Mps-10Base-T Ethernet 100Mbps-Fast Ethernet 1000Mbps-Gigabit Ethernet 10000Mbps-10Gigabit Ethernet Nhiều giao thức công nghệ khác đưa Ethernet tồn công nghệ LAN giao thức có đặc tính sau: Dễ hiểu, dễ thực hiện, dễ quản lý bảo dưỡng Cho phép triển khai mạng với chi phí thấp Cung cấp nhiều mơ hình linh hoạt cho việc cài đặt mạng Bảo đảm kết nối thành công hoạt động theo tiêu chuẩn sản phẩm, bất chấp nhà chế tạo b Các phần tử mạng Ethernet ( bổ sung) Mạng LAN Ethernet bao gồm node mạng phương tiện liên kết Các node mạng nằm hai lớp chính: DTE (Data Terminal Equipment): thiết bị nguồn hay đích khung liệu Các thiết bị DTE điển PC, trạm làm việc, file server print server nhóm trạm đầu cuối DCE (Data Communication Equipment): thiết bị mạng trung gian có nhiệm vụ nhận chuyển tiếp khung liệu thơng qua mạng DCE thiết bị Standalone lặp, chuyển mạch hay thiết bị giao tiếp truyền thông Card giao tiếp Các thiết bị mạng trung gian Standalone xem node trung gian DCE Card giao tiếp mạng xem NIC (Network Interface Card) Nhó m 1_19N36 Page 17 c Kiến trúc giao thức ( bổ sung) Ethernet/IEEE 802.3 tập chuẩn IEEE 802 Hình minh họa kiến trúc giao thức Ethernet/IEEE 802.3 tập chuẩn IEEE 802 Lớp liên kết liệu chia thành lớp lớp LLC (Logical Link Control) MAC (Medium Access Control) Như vậy, phạm vi Ethernet/IEEE 802.3 bao gồm lớp vật lý lớp MAC d Cấu trúc mạng Mạng LAN có nhiều mơ hình kiến trúc khác chọn mơ hình kết nối bus đồng trục Chiều dài Segment (đoạn) giới hạn 500m kết nối 100 trạm vào Segment Từng Segment kết nối với trạm lặp, miễn nhiều đường không tồn hai trạm mạng số lượng DTE không vượt giá trị qui định Quan hệ vật lí IEEE 802.3 với mơ hình tham chiếu OSI Nhó m 1_19N36 Page 18 Hình mô tả lớp vật lý IEEE802.3 quan hệ với mơ hình tham chiếu OSI Với giao thức IEEE802, lớp liên kết liệu OSI chia thành hai lớp IEEE802: lớp MAC (Media Access Control) lớp MAC-Client Lớp vật lý IEEE802.3 tương đương với lớp vật lý OSI Lớp MAC-Client lớp sau: Là lớp LLC (Logical Link Control) đầu cuối DTE Lớp cung cấp giao tiếp Ethernet MAC lớp ngăn giao thức trạm đầu cuối Lớp LLC định nghĩa chuẩn IEEE802.2 Là thực thể cầu nối (Bridge Entity) đầu cuối DCE Thực tế cầu nối cung cấp giao tiếp LAN to LAN mạng LAN sử dụng giao thức cung cấp giao thức khác Thực thể cầu nối định chuẩn IEEE802.1 Bởi đặc điểm kỹ thuật LLC thực thể cầu nối chung cho tất giao thức LAN IEEE802, tính tương thích mạng sở giao thức mạng đặc biệt Hình 3.5 minh hoạ yêu cầu tương thích khác lợi dụng lớp vật lý lớp MAC truyền thông liệu sỏ kết nối Ethernet Nhó m 1_19N36 Page 19 Lớp vật lý lớp MAC tương thích với yêu cầu cho truyền thông liệu sở e Lớp MAC Ethernet (bổ sung) Lớp MAC có hai chức chính: Đóng gói liệu kể đóng khung trước truyền, phân tích dị lỗi suốt sau nhận khung Điều khiển truy nhập phương tiện bao gồm khởi tạo truyền khung phục hồi lại truyền bị hỏng Dạng khung Ethernet Nhó m 1_19N36 Page 20