Bài Tập Nhóm Scada Thiết Kế, Xây Dựng Hệ Thống Điều Khiển Từ Xa Động Cơ (Gồm 1 Trung Tâm Điều Khiển Và 2 Cụm Động Cơ), Sử Dụng Mạng Profibus Sử Dụng Plc Kết Nối Với Biến Tần Hỗ Trợ Mạng Profibus.pdf

Khả năng truyền thông của thiết bị và các đường truyền thông tin trong suốt, liên tục là các thành phần không thể thiếu của khái niệm tự động hoá trong tương lai.. Hệ thống truyền thông

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ -

BÀI TẬP NHÓM SCADA

Thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển từ xa động cơ (gồm 1 trung tâm điều khiển và 2 cụm động cơ), sử dụng mạng Profibus (Sử dụng PLC kết nối với biến tần hỗ trợ mạng Profibus).

NGUYỄN VĂN PHAI MSSV: 42001225

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 2023-2024

Chủ đề 20.

Thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển từ xa động cơ (gồm

1 trung tâm điều khiển và 2 cụm động cơ), sử dụng mạng Profibus (Sử dụng PLC kết nối với biến tần hỗ trợ mạng Profibus).

 Lý thuyết về mạng Profibus, chuẩn RS-485, RS232, (lý thuyết,

sơ đồ và đấu nối dây)

 Thiết kế phần cứng (nêu tên số lượng của từng thiết bị, tên thiết bị), và sơ đồ đấu nối dây.

 Giá thành của các thành phần cơ bản của hệ thống (phần cứng

và phần mềm) và giá nhân công (giá thiết bị điều khiển PLC, thiết bị chấp hành, thiết bị cảm biến, phần mềm lập trình…).

 Cấu hình mạng trong TIA portal.

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG PROFIBUS I.TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP.

Công nghệ thông tin đã thúc đẩy công nghệ tự động hoá phát triển.

Nó làm thay đổi các cấp, cấu trúc và quá trình trong lĩnh vực tụ động hoá

và ngày nay có ảnh hưởng đến tất cả các lĩnh vực công nghiệp từ điều khiển quá trình, tự động hoá xí nghiệp, tự động hoá toà nhà đến điều khiển giao thông Khả năng truyền thông của thiết bị và các đường truyền thông tin trong suốt, liên tục là các thành phần không thể thiếu của khái niệm tự động hoá trong tương lai Sự truyền thông tăng không chỉ ở chiều ngang của cấp trường mà còn theo tất cả các cấp Hệ thống truyền thông công nghiệp có nhiều dạng Ethernet, PROFIBUS và ASI là các điều kiện lý tưởng cho việc nối mạng trong tất cả các lĩnh vực của quá trình sản xuất theo mỗi trường hợp ứng dụng và giá cả.

Cuộc cách mạng công nghệ thông tin trong công nghệ tự động hoá mở ra 1 động lực mới ở tối ưu hoá việc xử lý và đóng một vai trò để

sử dụng tốt hơn nguồn tài nguyên Hệ thống truyền thông công nghiệp đảm nhận một vai trò quan trọng PROFIBUS được mô tả như một liên kết trung tâm cho dòng chảy thông tin trong tự động hoá Sự mô tả của ASI hãy xem trong các tài liệu liên quan Sự tích hợp của PROFIBUS trong mạng truyền thông trong xí nghiệp dựa trên cơ sở TCP/IP.

Hình 1: Mạng truyền thông công nghiệp.

II.CÔNG NGHỆ PROFIBUS

PROFIBUS (Process Field Bus) là một Bus trường chuẩn mở rộng, không phụ thuộc và nhà sản xuất dùng cho các ứng dụng trong tự động hoá sản xuất và xử lý Sự độc lập và tính mở rộng được đảm bảo theo tiêu chuẩn quốc tế EN 50170 và EN 50254 PROFIBUS cho phép truyền thông giữa các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau không đỏi hỏi giao tiếp đặc biệt PROFIBUS không những sử dụng cho các ứng dụng nhanh theo chu kỳ mà con cho các nhiệm vụ truyền thông đặc biệt Nhờ

sự phát triển kỹ thuật liên tục mà PROFIBUS vẫn còn là một hệ thống truyền thông công nghiệp trong tương lai.

Hình 2: PROFIBUS & ETHERNET

PROFIBUS có các phương thức truyền thông được chia theo dạng truyền thông (Communication Profies): DP và FMS Tuỳ thuộc vào ứng dụng có thể sử dụng kỹ thuật truyền RS-485, RS-232 hoặc cáp quang Dạng ứng dụng (Application profiles): qui định các phương thức

và công nghệ truyền tuỳ chọn cần thiết theo vùng ứng dụng cho các loại thiết bị Các profiles này cũng qui định các đặc tính thiết bị mở rổng của nhà sản xuất.

2.1 Dạng truyền thông (Communication profiles).

PROFIBUS communication Profiles qui định các trạm truyền dữ liệu nối tiếp của nó qua môi trường truyền chung như thế nào.

 DP

DP là dạng truyền thông được sử dụng nhiều nhất Nó tối ưu hoá tốc

độ truyền, hiệu quả và chi phí kết nối và được thiết kế đặc biệt cho truyềnthông giữa các hệ thống tự động và ngoại vi phân tán DP, là sự thay thếphù hợp cho truyền tín hiệu song song 24V thông thuờng trong tự động hoá

sản xuất cũng như truyền tín hiệu Analog 4 20mA Hart trong tự động hoá

xử lý

 FMS

FMS là dạng truyền thông đa năng cho các công việc truyền thông theo yêu cầu FMS mang lại các chức năng truyền thông hiện đại cho truyền thông giữa các thiết bị thông minh (Intelligent Device) Tuy nhiên, do sự phát triển kỹ thuật của PROFIBUS và việc sử dụng TCP/IP

ở cấp Cell mà FMS ngày càng chiếm một vai trò ít quang trọng trong tương lại.

Hình 3: Tổng quan về công nghệ PROFIBUS

2.2.Kỹ thuật truyền

Vùng ứng dụng của hệ thông Bus trường chủ yếu được xác địnhbằng sự lựa chọn kỹ thuật truyền hiện có Cũng như các yêu cầu chung dựatrên hệ thông Bus như độ tin cậy, khoảng cách lớn và tốc độ truyền cao.Trong tự động hoá xử lý các yêu cầu khác phải được thoả mãn như hoạt

động trong các vùng nguy hiểm, truyền dữ liệu và năng lượng trên cùngmột cáp.

2.3.Ứng dụng

PROFIBUS Application Profiles mô tả các tác động qua lại giữ

phương thức truyền thông với kỹ thuật truyền được sử dụng Chúng cũng qui định các đặc tính của thiêt bị trường trong suốt quá trình truyền thông qua PROFIBUS Qui định ứng dụng quan trọng nhất của PROFIBUS là các qui định (Profiles) về IPA, trong đó qui định các thông số và khối chức năng của các thiết bị tự động hoá quá trình như các bộ chuyển đổi đo, các van, các bộ định vị Cao hơn là các bộ điều khiển tốc độ, HMI và các bộ mã hoá (Encoder) qui định các đặc tính thiết bị mở rộng của nhà sản xuất.

III CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN

PROFIBUS qui định các đặc tính của một hệ thống Bus trường nốitiếp, với các qui định này các bộ điều khiển lập trình số đặt phân tán có thểnối mạng, từ cấp field tới cấp Cell PROFIBUS là một hệ thống Multi-Master và cho phép kết hợp nhiều hệ thống tự động hoá, hệ thống côngnghệ và hệ thống điều khiển với các thiết bị ngoại vi phân tán của chúngvào trong một Bus PROFIBUS có hai loại thiết bị sau

 Master xác định việc truyền dữ liệu trên BUS Một Master được

phép gửi thông báo mà không cần yêu cầu từ bên ngoài, khi nó giữquyền truy cập BUS (giữ TOKEN) Các Master cũng được gọi là cáctrạm tích cực

 Slave là các thiết bị ngoại vi như các I/O, các van, các bộ truyền động

và các bộ biến đổi đo lường Chúng không có quyền truy cập BUS,

có nghĩa là nó được phép nhận các thông báo hoặc gửi các thông báo

tới các Master khi có yêu cầu Slave cũng được gọi là các tram thụđộng

3.1 Cấu trúc giao thức (Protocol architecture).

PROFIBUS dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế công nhận Cấu trúc

của giao thức theo chuẩn OSI (Open System Interconnection), tương xứng với tiêu chuẩn quốc tế ISO 7498 Theo đó mỗi lớp truyền thực hiện một nhiệm vụ nhất định Lớp 1 (Physical Layer) xác định các đặc điểm truyền vật lý Lớp 2 ( Date Link Layer ) xác định phương thức truy cập Bus, lớp 7 xác định các chức năng ứng dụng Cấu trúc của giao thức PROFIBUS.

Hình 4: Cấu trúc giao thức (Protocol architecture).

DP là giao thức truyền thông hiệu quả, sử dụng cho lớp 1 và lớp 2 cũng nhưgiao tiếp ứng dụng Lớp 3 đến lớp 7 là không sử dụng Qua cấu trúc này đảm bảoviệc truyền dữ liệu nhanh và hiệu quả Bản đồ liên kết dữ liệu trực tiếp ( DirectData Mapper, DDLM) cung cấp giao tiếp ứng dụng dễ dàng truy cập đến lớp 2

Trong giao tiếp ứng dụng xác định các chức năng ứng dụng cho người dùng, cũngnhư các đặc tính hệ thống, đặc tính thiết bị của các loại DP khác nhau.

FMS là phương thức truyền thông vạn năng, sử dụng cho lớp 1,2 và 7 Lớp ứng dụng 7 bao gồm Fieldbus Mesage Specification (FMS) và Lower Layer Interface (LLI) FMS xác định một lượng lớn các dịch vụ truyền thông mạnh cho truyền thông Master – Master, Master – Slave LLI xác định các dịch vụ EMS trên phương thức truyền dữ liệu của lớp 2.

3.2 Tổng quan về giao tiếp RS-485.

RS-485 hay được biết đến với tên gọi đầy đủ là chuẩn giao tiếp RS-485 hay

cáp RS-485, đây là phương thức giao tiếp kết nối với máy tính và các thiết bị khác RS-485 không chỉ đơn thuần là giao diện đơn lẻ mà nó chính là tổ hợp truyền thông

có khả năng tạo ra các mạng đơn giản của nhiều thiết bị

3.2.1 Cấu tạo của RS-485.

Cáp RS-485 được cấu tạo rất đơn giản, chỉ từ các sợi dây được xoắn lại với

nhau theo từng cặp Tuy nhiên, chính cấu tạo này lại sinh ra một số nhược điểm nghiêm trọng, khi hiện tượng nhiễu xuất hiện ở 1 cặp dây thì ngay lập tức cặp dây khác cũng sẽ bị Điều này dẫn đến điện áp hoạt động giữa 2 dây sẽ không có quá nhiều sự chênh lệnh, bộ phân thu của RS-485 vẫn có thể nhận được tín hiệu vì bộ thu đã loại bỏ hết được hiện tượng nhiễu

3.2.2 Nguyên lý hoạt động của RS-485 là gì.

RS-485 hoạt động khá đơn giản, dữ liệu sẽ được truyên qua 2 dây khi xoắn

lại với nhau, dây này được gọi là cáp xoắn Khi dây được xoắn lại sẽ tạo cho

RS-485 khả năng chống nhiễu cao và khả năng truyền tín hiệu đường dài tốt hơn RS-485 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

3.2.3 Cấu tạo cáp RS-485.

 Sơ đồ chân RS-485.

Hình 5: Sơ đồ chân RS-485 2 dây.

Đối với cấu hình 2 dây, dữ liệu sẽ được truyền đi theo một hướng tại một

thời điểm nhất định Với kiểu thiết lập này, tín hiệu TX và RX sẽ cùng nhau dùng chung một cặp dây duy nhất giúp người sử dụng tiết kiệm được chi phí cài đặt Nhìn hình trên, ta thấy được rằng hệ thống phát và hệ thống thu sẽ được kết nối với nhau tại mỗi nút của một cặp xoắn Tuy nhiên, cấu hình 2 dây lại làm giới hạn các nút tại cặp xoắn nên người sử dụng phải chú ý đến độ trễ quay vòng

 Sơ đồ chân RS-485 4 dây.

Hình 6: Sơ đồ chân RS-485 4 dây.

Nguyên lý hoạt động của cấu hình 4 dây tương đối khác, tại đây dữ liệu sẽ

được truyền đi và đến đồng thời từ các nút Tại đây, 2 dây sẽ đảm nhận nhiệm vụ truyền và 2 dây còn lại sẽ đãm nhận nhiệm vụ nhận

Nhìn hình trên, ta thấy được rằng cổng chính và máy phát được kết nối lại với hệ thống nút nhận dữ liệu trên các cặp xoắn Tuy nhiên, cần chú ý rằng các kết này sẽ bị giới hạn trong giao tiếp chính và phụ, hay đơn giản chính là bị giới hạn tạinơi các nút không thể nhận tín hiệu từ nhau

3.3 Kỹ thuật truyền RS-485.

Có thể coi chuẩn RS-484 là một phát triển của RS-232 trong việc truyền dữ

liệu nối tiếp Những bộ chuyển đổi RS-485/RS-232 cho phép người dùng giao tiếp với bất kì thiết bị mà sử dụng liên kết nối tiếp RS-232 thông qua liên kết RS-285 Liên kết RS-485 được hình thày cho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa có thể

hỗ trợ 1 mạng lên tới 32 trạm thu phát trên cùng 1 đường truyền, tốc độ có thể lên tới 115.200 baud cho 1 khoảng cách là 4000feet (1200m)

Hình 5: Bảng tóm tắt thông số của RS-485.

Kỹ thuật truyền RS-485 thường được sử dụng nhất trong PROFIBUS Nó

được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực ứng dụng mà yêu cầu tốc độ truyền cao, lắp đặt đơn giản, rẻ tiền Nó sử dụng cáp đôi dây xoắn

Kỹ thuật truyền RS-485 dễ dàng sử dụng Sự lắp đặt cáp đôi dây xoắn khôngđòi hỏi kiến thức cao Cấu trúc Bus cho phép thêm vào hoặc tháo bớt ra các trạm hoặc vận hành hệ thống từng bước Sự mở rộng sau này không làm ảnh hưởng đến các trạm đang hoạt động

Tốc độ truyền có thể chọn trong vùng 9,6Kbit/s đến 12Mbit/s Khi hệ thống hoạt động có thể chọn một tốc độ truyền duy nhất cho tất cả các thiết bị trên BUS.

3.4 Một số vấn đề liên quan đến chuẩn RS-485.

 Truyền dẫn cân bằng.

Hệ thống truyền dẫn cân bằng gồm có 2 dây tín hiệu A, B nhưng không có dây mass Sở dĩ được gọi là cân bằng là do tín hiệu trên dây này ngược với tín hiệu trên dây kia Nghĩa là nếu dây này đang phát mức cao thì dây kia phải đang phát mức thấp và ngược lại

Hình 6.1: Kiểu truyền cân bằng 2 dây.

Hình 6.2: Tín hiệu trên 2 dây của hệ thông cân bằng.

 Mức tín hiệu.

Với 2 dây A, B truyền dẫn cân bằng, tín hiệu mức cao TTL được quy định khi áp của dây A lớn hơn dây B tối thiểu là 200mV, tín hiệu mức thấp TTL được quy định khi áp của dây A nhỏ hơn dây B tối thiểu cũng là 200mV Nếu

điện áp mà nằm trong khoảng -200mV < < 200mV thì tín hiệu so với mass bên phía thu phải nằm trong khoàng -7V đến +12V.

 Cập dây xoắn.

Như chính tên gọi của nó, cặp dây xoắn (Twisted-pair wire) đơn giản chỉ là cặp dây có chiều dài bằng nhau và được xoắn lại với nhau Sử dụng cặp dây xoắn sẽ giảm thiểu được nhiễu, nhất là khi truyền ở khoảng cách xa và với tốc độ cao

Hình 7: Cặp dây xoắn trong RS-485.

 Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn.

Phụ thuộc vào hình dáng và chất liệu cách điện của dây mà nó sẽ có 1 trở kháng đặc tính ( Characteristic impedence-), điều này thường được chỉ rõ bởinhà sản xuất Theo như khuyến cáo thì trở kháng đặc tính của đường dây vàokhoảng từ 100 – 200 nhưng không phải lúc nào cũng đúng như vậy.

 Điện áp kiểu chung.

Tín hiệu truyền dẫn gồm 2 dây không có dây mass nên chúng cần được tham chiếu đến 1 điểm chung, điểm chung lúc này có thể là mass hay bất kì một mức điện áp cho phép Điện áp kiểu chung (Common-mode voltafe - về mặttoán học được phát biểu như là giá trị trung bình của 2 điện áp tín hiệu được tham chiếu với mass hay 1 điểm chung

Hình 8: Cách xác định áp kiểu chung.

 Vấn đề nối đất.

Tín hiệu trên 2 dây khi được tham chiếu đến điểm chung là đất (Ground) thì khi đó nó cần được xem xét kỹ lưỡng, nếu đất giữa nơi nhận và nơi phát có một sự chênh lệch điện thế vượt qua ngưỡng cho phép thì tín hiệu thu được

sẽ bị sai hoặc phá hỏng thiết bị Điều nãy cho thấy mạng RS-485 gồm 2 dây nhưng có tới 3 mức điện áp được xem xét Do đất là một vật dẫn điện không hoàn hảo nên nó có một điện trở xác định, gây ra chênh lệch điện thế từ điểmnày tới điểm kia, đặc biệt là tại các vùng có nhiều sấm sét, máy móc tiêu thụ dòng lớn, những bộ chuyển đổi được lắp đặt và có nối đất

Chuẩn RS-485 cho phép chênh lệch điện thế đất lên tới 7V, lớn hơn 7V là không được Như vậy đất là điểm tham chiếu không đáng tin tưởng và một cách tốt hơn cho việc truyền tín hiệu lúc này là ta đi thêm một dây thứ 3, nó

sẽ được nối mass tại nguồn cung cấp để dùng làm điện áp tham chiếu

 Điện trở đầu cuối.

Điện trở đầu cuối (Terminating Resistor) đơn giản là điện trở được đặt tại 2 điểm tận cùng kết thúc của đường truyền Giá trị của điện trở đầu cuối lí tưởng là bằng giá trị trở kháng đặc tính của đường dây xoắn, thường thì vào khoảng 100 – 200 

Hình 9: Cách đặt điện trở đầu cuối trong RS-485.