Đề cương bài giảng Tự đông hóa sản xuất

Ch­¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ thèng s¶n xuÊt tù ®éng 1. Kh¸i niÖm HÖ thèng s¶n xuÊt tù ®éng (HTSXT§): Lµ hÖ thèng tù ®éng c¸c qu¸ tr×nh xö lý th«ng tin trong qu¸ tr×nh c«ng nghÖ hoÆc qu¸ tr×nh s¶n xuÊt. Trong hÖ nµy con ng­êi lµ mét kh©u quan träng, th­êng xuyªn cã sù trao ®æi th«ng tin gi÷a ng­êi vµ m¸y. Con ng­êi lµm viÖc trong hÖ thèng ®Ó ho¹ch ®Þnh môc tiªu vµ ®­a ra c¸c quyÕt ®Þnh ®Ó hÖ ®i ®óng h­íng Chóng ta cÇn ph©n biÖt gi÷a mét hÖ thèng s¶n xuÊt tù ®éng vµ hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng (HT§KT§). HÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng lµ hÖ thùc hiÖn c¸c thao t¸c mét c¸ch tù ®éng theo logic ch­¬ng tr×nh ®Æt tr­íc (do con ng­êi ®Æt tr­íc), kh«ng cã sù can thiÖp cña con ng­êi, con ng­êi chØ ®ãng vai trß khëi ®éng hÖ (trªn thùc tÕ ®ã lµ c¸c bé PID, PLC. MicroProccesor, c¸c m¹ch ®iÒu khiÓn r¬lecont¾ct¬ ...). Nh­ vËy hÖ thèng s¶n xuÊt tù ®éng bao gåm c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng, con ng­êi, hÖ thèng kho b•i, nguyªn liÖu... Qu¸ tr×nh trao ®æi th«ng tin gi÷a ng­êi vµ m¸y thùc hiÖn theo m« h×nh sau: Ch­¬ng 1: Tæng quan vÒ hÖ thèng s¶n xuÊt tù ®éng 1. Kh¸i niÖm HÖ thèng s¶n xuÊt tù ®éng (HTSXT§): Lµ hÖ thèng tù ®éng c¸c qu¸ tr×nh xö lý th«ng tin trong qu¸ tr×nh c«ng nghÖ hoÆc qu¸ tr×nh s¶n xuÊt. Trong hÖ nµy con ng­êi lµ mét kh©u quan träng, th­êng xuyªn cã sù trao ®æi th«ng tin gi÷a ng­êi vµ m¸y. Con ng­êi lµm viÖc trong hÖ thèng ®Ó ho¹ch ®Þnh môc tiªu vµ ®­a ra c¸c quyÕt ®Þnh ®Ó hÖ ®i ®óng h­íng Chóng ta cÇn ph©n biÖt gi÷a mét hÖ thèng s¶n xuÊt tù ®éng vµ hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng (HT§KT§). HÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng lµ hÖ thùc hiÖn c¸c thao t¸c mét c¸ch tù ®éng theo logic ch­¬ng tr×nh ®Æt tr­íc (do con ng­êi ®Æt tr­íc), kh«ng cã sù can thiÖp cña con ng­êi, con ng­êi chØ ®ãng vai trß khëi ®éng hÖ (trªn thùc tÕ ®ã lµ c¸c bé PID, PLC. MicroProccesor, c¸c m¹ch ®iÒu khiÓn r¬lecont¾ct¬ ...). Nh­ vËy hÖ thèng s¶n xuÊt tù ®éng bao gåm c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng, con ng­êi, hÖ thèng kho b•i, nguyªn liÖu... Qu¸ tr×nh trao ®æi th«ng tin gi÷a ng­êi vµ m¸y thùc hiÖn theo m« h×nh sau: 2. CÊu tróc s¬ bé hÖ thèng s¶n xuÊt tù ®éng: Mét hÖ thèng s¶n xuÊt tù ®éng ®­îc cÊu thµnh tõ mét hay 2. CÊu tróc s¬ bé hÖ thèng s¶n xuÊt tù ®éng: Mét hÖ thèng s¶n xuÊt tù ®éng ®­îc cÊu thµnh tõ mét hay

Chơng 1: Tổng quan về hệ thống sản xuất tự động

1 Khái niệm

Hệ thống sản xuất tự động (HTSXTĐ): Là hệ thống tự động các quá trình xử lý thông tintrong quá trình công nghệ hoặc quá trình sản xuất Trong hệ này con ngời là một khâuquan trọng, thờng xuyên có sự trao đổi thông tin giữa ngời và máy Con ngời làm việctrong hệ thống để hoạch định mục tiêu và đa ra các quyết định để hệ đi đúng hớng

Chúng ta cần phân biệt giữa một hệ thống sản xuất tự động và hệ thống điều khiển tự

động (HTĐKTĐ) Hệ thống điều khiển tự động là hệ thực hiện các thao tác một cách tự

động theo logic chơng trình đặt trớc (do con ngời đặt trớc), không có sự can thiệp của conngời, con ngời chỉ đóng vai trò khởi động hệ (trên thực tế đó là các bộ PID, PLC.MicroProccesor, các mạch điều khiển rơle-contắctơ ) Nh vậy hệ thống sản xuất tự độngbao gồm các hệ thống điều khiển tự động, con ngời, hệ thống kho bãi, nguyên liệu Quá trình trao đổi thông tin giữa ngời và máy thực hiện theo mô hình sau:

2 Cấu trúc sơ bộ hệ thống sản xuất tự động:

Một hệ thống sản xuất tự động đợc cấu thành từ một hay nhiều hệ con trong đó bao gồmcả con ngời Cấu trúc của hệ thống sản xuất tự động đợc trình bày nh hình 4

Tất cả các hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất đều đợc xây dựng trên hai cơ sở:

- Có ngời phục vụ, thao tác, điều phối (vận hành, điều phối)

- Bảo đảm thông tin, bảo đảm kỹ thuật, bảo đảm chơng trình

QTCN

Hình1: Quá trình xử lý thông

tin thông th ờng

QTCN MT

Hình 2: Quá trình xử lý thông tin có

tích hợp máy tính

Thông

tin vào

Đảm bảo kỹ thuật

Thông tin ra

Đối t ợng

điều khiển

Thiết

bị điều khiển

Hệ thống này có thể là bằng tay, bán tự động, hoặc tự động hoàn toàn

Hệ thống sản xuất tự động sẽ đợc thực hiện nhờ quá trình truyền tin Với những hệ thốngcàng lớn, lợng thông tin trao đổi giữa ngời và máy càng nhiều, nếu không dùng máy móc

hỗ trợ, sẽ cần một lực lợng đông đảo nhân lực để ghi nhận Cách làm này tốn thời gian vàcũng rất dễ gây ra nhầm lẫn Ngày nay ngời ta thờng dùng máy tính điện tử để ghi nhận

và xử lý và truyền thông tin (Máy tính đặt tại văn phòng để lập kế hoạch, báo cáo, xử lý

và truyền tin thông thờng Máy tính đặt tại các phân xởng để truyền và xử lý thông tin, máy tính đặt tại dây truyền để điều khiển cục bộ) Nhờ sự hỗ trợ của máy tính và các thiết

bị điều khiển Các hệ thống sản xuất tự động hiện nay đã đợc xây dựng ở mức độ tự độnghóa rất cao, giảm nhẹ sức lao động trí óc và chân tay của con ngời

Trên thực tế, một hệ thống sản xuất tự động thờng rất phức tạp, để nghiên cứu nó, ngời taphải phân nhỏ thành từng phần để xem xét rồi sau đó tổng hợp lại

Mức độ tự động hoá của một hệ thống SXTĐ thờng đợc chia thành 4 cấp nh sau:

Cấp 1: Là cấp tiếp xúc giữa hệ thống điều khiển và QTCN, ở cấp này sử dụng các cảm

biến, các thiết bị đo dùng để thu nhận các tin tức từ QTCN và các cơ cấu chấp hành nh rơle,

động cơ, van dùng để nhận thông tin điều khiển và thực hiện các lệnh điều khiển

Cấp 2 : Là cấp điều khiển cục bộ, ở đây thực hiện việc điều khiển từng máy, từng bộ phận

QTCN Các thiết bị điều khiển nhận thông tin của QTCN ở cấp 1 và thực hiện các thao tác

tự động theo chơng trình của con ngời đã cài đặt sẵn Một số thông tin về QTCN và kếtquả của công việc điều khiển sẽ đợc chuyển lên cấp 3 Cấp này thờng đặt các bộ điềukhiển tơng tự (P,I,D) và các bộ điều khiển số Hiện nay sử dụng phổ biến là các bộ điềukhiển khả trình PLC

Cấp 3: Là cấp điều khiển tự động hoá quá trình công nghệ ở cấp này có máy tính hoặc

các phần tử nối mạng để thu nhận thông tin về QTCN (từ cấp 1 gửi lên), xử lý các thông

1 2 3 4

Cơ cấu chấp hành điều khiển Valves, relays, motors, sensors, Actuators

Hệ ĐKTĐ

Hệ ĐK TĐH QTCN

Hệ ĐK TĐH QTSX

Controler: PID, PLC, Micro Processor

Central Computer Supervision

Computer Terminal

Hình 4: Cấp độ tự động hóa hệ thống sản xuất tự động

tin và trao đổi thông tin với cấp cao hơn hoặc ngời điều khiển thông qua giao diện Máy

Ngời-Cấp 4 : Là cấp tự động hoá quá trình sản xuất, ở cấp này có máy tính trung tâm để không

những xử lý các thông tin về quá sản xuất mà còn là các thông tin về tình hình cung ứngvật t, nguyên liệu, tài chính, lực lợng lao động, tình hình cung cầu trên thị trờng Máytính trung tâm xử lý một khối lợng thông tin lớn, đa ra các giải pháp tối u để ngời điềukhiển lựa chọn Ngời điều khiển có thể can thiệp sâu vào quá trình sản xuất, thậm chí cóthể thay đổi mục tiêu sản xuất Cũng nh ở cấp 2, cấp này sử dụng giao diện Ngời-Máy nh-

ng ở mức độ cao hơn với phạm vi điều khiển rộng hơn

Các hệ thống sản xuất tự động hiện nay mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt: Nâng cao chất l ợng sản phẩm, tăng năng suất lao động, giảm sức lao động của con ngời, hạ giá thành sảnphẩm Các thông tin luôn đợc xử lý kịp thời với độ chính xác cao

-3 Các giai đoạn phát triển cơ bản của tự động hoá quá trình sản xuất.

Các giai

Cơ khí hoá Thay thế lao động cơ bắp của con ngời Máy tiện,

hợp

Trên cơ sở tự động hoá với sự trợ giúp của hệthống máy tính để thực hiện các quá trình sảnxuất tích hợp

- Nâng cao năng suất lao động, giảm sự mất ổn định về giờ giấc và giảm giá thành

- Cải thiện điều kiện sản suất, ngời lao động tránh đợc những nơi lao động độc hại, nặngnhọc, công việc có tính lặp đi lặp lại

- Cho phép đáp ứng cờng độ sản suất cao,có thể sản xuất ra các sản phẩm với số lợnglớn

- Cho phép thực hiện chuyên môn hoá và hoán đổi sản xuất

4.2 Chức năng:

Hệ thống sản xất tự động có các chức năng sau

- Chức năng thông tin: Chức năng thông tin của HTSXTĐ nhằm chọn, soạn thảo và thunhận thông tin (ví dụ: đo lờng các thông số của quá trình, tính chỉ tiêu thông số, cáctín hiệu về trạng thái của hệ thống…) Kiểm tra ghi các sai số của các thông số, trạng

thái kỹ thuật thiết bị so với ban đầu Phân tích hoạt động bảo vệ thiết bị, ghi nhận

trạng thái không an toàn, thông báo trớc về khả năng giảm chất lợng sản phẩm, xuất

hiện sự cố Ghi lại quá trình công nghệ (đồ thị, ảnh)

- Chức năng điều khiển: Chức năng điều khiển của hệ thống SXTĐ để đảm bảo hệ thống

có khả năng chống lại các nhiễu loạn trong quá trình SX, chọn chế độ hoạt động tối u

cho các máy, tối u cho toàn bộ quá trình

- Chức năng bổ trợ: Ngoài các chức năng trên HTSXTĐ còn có các chức năng bổ trợ

đảm bảo an toàn lao động nh bảo vệ sức khoẻ ngời vận hành, bảo vệ chống cháy, bảo

vệ an toàn chung, bảo vệ môi trờng

Mức độ của các chức năng trên phụ thuôc vào mức độ phát triển của hệ thống SXTĐ

5 Xây dựng hệ thống sản xuất tự động

5.1 Bảo đảm kỹ thuật của hệ thống sản xuất tự động

Bảo đảm kỹ thuật của hệ thống sản xuất tự động là toàn bộ tổ hợp các thiết bị kỹ thuật

cần thiết cho hoạt động của hệ thống đảm bảo thực hiện đợc các chức năng của hệ

thống cần thiết kế Nó đợc hiện thực hoá từ kỹ thuật tính, kỹ thuật điều khiển

logic và kỹ thuật điều chỉnh Với các thiết bị nh máy tính, thiết bị công suất, bộ

điều chỉnh, điều khiển logic.

Đảm bảo toán kỹ thuật của hệ thống SXTĐ cần đảm bảo toán học và đảm bảo

ch-ơng trình:

- Đảm bảo toán học: Tuỳ theo công nghệ mà xác định đợc mô hình toán học mô

tả hệ thống Dựa vào các mô hình này áp dụng các tính toán của kỹ thuật điều

chỉnh để đảm bảo hệ thống đợc thiết kế thoả mãn một số chỉ tiêu chất lợng nào

đó đã đề ra (Trên thực tế, nó đợc mô tả bằng một phiếm hàm J phụ thuộc vào

các thông số, cấu trúc hệ thống Phiếm hàm này phải thoả mãn các chỉ tiêu tối

-u: quá trình quá độ ngắn nhất (thòi gian t), Độ quá điều chỉnh nhỏ nhất (OS% ),

Sai lệch tĩnh nhỏ nhất, Năng lợng tiêu thụ ít nhất, giá thành rẻ nhất, cấu trúc đơn

giản nhất và độ ổn định cao nhất Thờng áp dụng nguyên lý tính toán tối u

(nguyên lý pontriagin).

- Đảm bảo chơng trình: HT SXTĐ luôn có một algorith điều khiển, đó là tập hợp

lệnh xác định cần thiết cho việc điều khiển Algorith điều khiển có thể là tổ hợp

của các algorith điều khiển con có quan hệ với nhau, yêu cầu phải đảm bảo

Algorith điều khiển này

Algorith điều khiển hệ thống

Algorith điều khiển

quy trình A

B1 Xác định nhiệm vụ điều khiển

B2 Xác định các thiết bị

sử dụng trong hệ thống

B4 Xây dựng ch ơng trình điều khiển

Hình 5: Ví dụ về một Algorith điều khiển hệ thống

5.2 Cấu trúc truyền tin trong các hệ thống SXTĐ

Truyền tin đóng vai trò quan trọng khi xây dựng các hệ thống SXTĐ, truyền tin phải

đảm bảo các yêu cầu sau:

- Đảm bảo thông tin đầy đủ để hiện thực tất cả các mục tiêu đặt ra

- Các tín hiệu và mã phải tuân theo tiêu chuẩn

- Mã thông tin phải là đơn giản nhất và thích hợp với nơi sản xuất

- Có khả năng trao đổi thông tin với nhiều thiết bị

- Thông tin phải đảm bảo tính bảo mật theo yêu cầu

Các cấu trúc hệ thống thông tin có thể là hình tia, tuyến tính hoặc hình cây:

5.3 Một số mô hình xây dựng thống sản xuất tự động hiện nay

5.3.1 Mô hình SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) nghĩa là hệ thống điều khiển vàthu thập số liệu hay còn gọi là hệ thống điều khiển giám sát Nó cho phép điều khiển,giám sát hoạt động hệ thống trong quyền hạn nào đó trên màn hình và điều khiển

HT-TT CN1

CN2 CN3

Sử dụng TT

CN2 CN3

Tuyến tính

Hình 6: Các loại cấu trúc truyền tin

nhiều chức năng khác nhau bên ngoài hoặc quá trình Hệ thống SCADA sẽ bao gồmmột trạm chủ cho việc thu thập thông tin từ những thiết bị đầu cuối thông qua thủ tụcthu thập số liệu từ các phơng tiện truyền thông khác nhau Lấy lại thông tin và kết hợpvới cảnh báo để ngời điều khiển đa ra những quyết định chính xác hoàn thành việc

điều khiển hệ thống và quá trình SCADA là một hệ kết hợp phần cứng và phần mềm

để tự động hoá việc quản lý giám sát điều khiển một hay nhiều đối tợng SCADA thựchiện một số nhiệm vụ chính sau:

- Thu thập thông tin và giám sát từ xa lên đối tợng

- Điều khiển, điều chỉnh tự động từ xa lên đối tợng

- Thông tin từ xa với các đối tợng và các cấp quản lý

Các giải pháp về một hệ SCADA rất đa dạng về cấu trúc (có nhiều biến thể trong thực

tế do yêu cầu về sự phân bố chức năng điều khiển cũng nh sự phân bố máy tính, thiết bị) Tuy nhiên tựu trung lại có cấu trúc tổng quan nh h.v.

Một máy tính đợc dùng để điều khiển toàn bộ các quá trình con Trí tuệ của toàn bộ

hệ tập trung tại một điểm Đây là cấu trúc tự động hoá thích hợp cho các loại máy mócthiết bị vừa và nhỏ, bởi sự đơn giản, đễ thực hiện và giá thành một lần cho máy tính

điều khiển Tuy nhiên cấu trúc này có các nhợc điểm sau:

- Công việc nối dây phức tạp, giá thành cao

- Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn

- Độ tin cậy của hệ thống điều khiển phụ thuộc vào một thiết bị duy nhất

Để nâng cao độ tin cậy cho hệ thống ngời ta thờng dùng máy tính dự phòng, tuy nhiên sẽ nâng cao giá thành Nhợc điểm thứ nhất và một phần nhợc điểm thứ hai

sẽ đợc khắc phục bằng cách dùng một mạng dây dẫn chung gọi là BUS TRƯờNG (field bus)

Ví dụ: Một hệ thống điều khiển SCADA cải tiến trong dây chuyền sản suất ô tô theo giải pháp của Siemens (Một máy tính điều khiển trung tâm với giao diện Ngời- Máy)

Máy tính ĐK

Quá trình con 1 Quá trình con 2 Quá trình con 3

A: Actuator S: Sensor

Hình 7: Mô hình SCADA đơn giản

5.3.2 Mô hình DCS

DCS (Distributed Control System) là hệ thống điều khiển phân tán, thực hiện ýtởng giải pháp tích hợp điều khiển khi có nhiều phòng điều khiển hoặc từng khu vực

có những khối điều khiển chéo nhau Phân tán là việc bố trí Trí tuệ và chức năng theo

bề rộng cũng nh chiều sâu, kết hợp mạng truyền thông thay cho phơng pháp dùng dâynối và bảng cổ điển Bên cạnh cách sử dụng phơng pháp các cụm vào ra tại chỗ và cácthiết bị chấp hành thông minh, ngời ta còn đa vào các máy điều khiển nhỏ (Các bộ

điều chỉnh chuyên dụng, vi điều khiển) xuống các vị trí gần kề quá trình kỹ thuật(hình 9)

- Trung tâm điều hành bao gồm: Trạm kỹ thuật (Engineering Station), trạm thao tác(Operator Station), và trạm phục vụ (Sevice Station)

- Trung tâm điều khiển bao gồm các máy tính điều khiển nh các bộ logic khả trình(PLC), máy tính công nghiệp (IPC) và các máy tính phối hợp đợc nối với nhau và nốilên trung tâm điều hànhquá trình qua BUS xử lý

- Khu vực gần với khu vực kỹ thuật bao gồm các bộ điều khiển tại chỗ nh bộ vi điềukhiển (Micro Controler), các bộ điều khiển thu gọn (Compact Controler) và các cụmvào ra tại chỗ, các thiết bị cảm biến chấp hành đợc nối lên trung tâm thông qua BUStrờng Trong thực tế tuỳ theo tính chất ứng dụng và thể loại quá trình kỹ thuật màcấu trúc trên có thể đợc đơn giản hoá hoặc mở rộng thêm

Bộ Đ/K Máy tính ĐK

Bằng giải pháp này đã giải quyết vấn đề nối dây nhờ mạng truyền thông, độ tin cậy hệnâng cao, tạo ra hệ thống mở

do tính cạnh tranh và khả năng độc quyền về thiết bị, mà mỗi hãng phát triển cho mìnhnhững chuẩn riêng Mặc dù những giải pháp công nghệ là khác nhau nhng đều có chungmột xu hớng là tiện dụng cho ngời dùng Do đó các thiết bị này đều đợc phát triển trêncác chuẩn để sao cho có khả năng ghép nối với các thiết bị của hãng khác trên cùng một

hệ thống, đảm bảo tính “mở” của hệ thống

6.1 Mạng truyền thông của SIEMENS.

Mô hình mạng truyền thông để xây dựng các hệ thống SXTĐ của SIEMENS có cấutrúc mạng nh sau:

Hình 9: Mô hình DCS

Có ba phơng pháp nối mạng các thiết bị điều khiển trong một hệ thống sản xuất tự

động của SIEMENS, đó là: Industrial Ethernet, Profibus va AS-Interface

Hình 10: Cấu trúc mạng truyền thông của SIEMENS

6.2 Mạng truyền thông của OMRON.

Cũng nh mạng truyền thông của SIEMENS, mạng truyền thông giữa các thiết bị điều

khiển của OMRON phụ thuộc vào yêu cầu ngời sử dụng Tuy nhiên chúng đợc phân cấp ở

các cấp thực hiện xử lý thông tin và điều khiển OMRON đa ra cấu trúc mạng theo hai

chiều ngang và dọc nh trên hình vẽ

Hình 11: Mạng truyền thông SIEMENS

Mechantronic Components Mechantronic Modules Sensors Actuators

Robot Controller PLC Components Control

Station Computer

Factory Computer

Area Computer

Host Computer

SYSMAC WAY

SYSMAC NET ETHERNET

Cấp 0: Là cấp cơ bản của các bộ phận thiết bị nh Sensor, cơ cấu chấp hành, Module cơkhí, trực tiếp tham gia vào quá trình sản xuất

Cấp 1: Cấp này bao quanh các thiết bị nh máy điều khiển số, PLC, Robot công nghiệp,thực hiện chức năng điều khiển

Cấp 2: Điều khiển và phối hợp cùng với các thiết bị ở mức 1 Thực hiện việc thích nghivới các chức năng điều khiển và sự thay đổi của các thiết bị mức 1

Cấp 3: Điều khiển, giám sát các hoạt động của các thiết bị ở mức 2 Quản lý giới hạnkhông quá một vùng riêng biệt của nhà máy hoặc một văn phòng

Cấp 4: Hợp nhất các hoạt động phân tầng với chức năng chính là tính toán dự báo tr ớc và

- Phơng thức truyền thông kiểu Master-Slave

- Kết nối từ 31-63 nút (phụ thuộc từng thiết bị sử dụng)

Đặc điểm: - Tốc độ truyền 2Mbps Đờng truyền là cáp đồng trục hoặc cáp quang

- Số nút tối đa là 63

- Khoảng cách truyền: Tổng cộng 1km (hoặc 10km, 800m giữa các nút)

- Độ dài dữ liệu 512 byte

- Khoảng cách truyền 1km (hoặc 3km khi dùng Repeater)

- Độ dài dữ liệu 2K byte

- Có khả năng gửi và nhận đệm các thông báo (nhận 15(30Kbyte) và gửi

1 (2Kbyte) thông báo)

Chơng 2: Thiết lập mạng AS-I, PROFIBUS-DP Và ETHERNET

Hệ thống sản xuất tự động là hệ thống tự động các quá trình xử lý thông tin trong quá trìnhcông nghệ, vấn đề truyền tin ở đây rất quan trọng, trong chơng này sẽ giới thiệu một số loạimạng truyền tin công nghiệp điển hình

1 Mạng AS-I.

AS-I (Actuator Sensor-Interface) là mạng ghép nối các phần tử ở cấp

thấp nhất, dùng để ghép nối các thiết bị chấp hành, cảm biến Đây là

cấu trúc mở với mô hình mạng nhỏ, giá thành hạ, dễ cài đặt và sử

dụng Mạng AS-I có các tính đặc điểm sau:

- Đồng tải nguồn và dữ liệu, tức là nguồn nuôi cho các cảm biến, cơ cấu chấp hành và dữliệu đều đợc truyền chung trên một đờng cable hai dây

- Có khả năng truyền bền vững trong môi trờng công nghiệp (đạt tiêu chuẩn IP 67) nhngkhông đòi hỏi cao về chất lợng truyền

- Các bộ kết nối đơn giản và nhỏ gọn

1.1 Thông số kỹ thuật mạng AS-I

- Là hệ thống mạng chủ-tớ (Master-Slave): Trạm chủ giao tiếp với trạm tớ theo phơngpháp hỏi tuần tự (polling) Trạm chủ gửi bức điện có chiều dài 14 bit và chờ đợi trạm tớtrả lời (với một khoảng thời gian định trớc), trạm tớ trả lời với bức điện có chiều dài 7bit:

- Sử dụng chuẩn truyền RS-485

- Có thể truyền dữ liệu trên cable 2 dây (2x1,5mm2), với điện áp vi sai lên tới 30V

- Cho phép bổ xung nguồn phụ 24

- Chu kỳ quét lớn nhất là 5ms

- Khoảng cách truyền tối đa là 100m (nếu sử dụng Repeater sẽ lên tới 300m)

- Mạng có thể xây dựng theo cấu trúc hình sao, tuyến tính (daisy-chain, line) hoặc hình cây

trunk-line/drop-1.2 Xây dựng mạng AS-I với module truyền thông CP 342-2

Hình 12: Cấu trúc bức điện AS-I

Nh đã biết mạng AS-I là hệ thống mạng mở, rất nhiều nhà sản xuất cung cấp thiết bị vàchúng có thể tích hợp vào cùng một hệ thông mạng Trong phần này sẽ hớng dẫn thiết lậpmạng AS-I sử dụng module truyền thông CP342-2 của

- Cable nối: Là cable hai dây có vỏ bọc cách điện (không cần có vỏ bọc

chống nhiễu) để nối tất cả các phần tử trên mạng

- Phần tử AS-I Master: Thiết bị điều khiển toàn bộ hệ thống mạng, cho phép kết nối hệthống này với hệ thống BUS cao hơn và cho phép ngời sử dụng có thể truy nhập vào cácI/O Slave (việc này có thể thực hiện trong chơng trình của CPU S7-300 )

- Phần tử AS-I Slave: Có thể sử dụng nhiều phần tử AS-I Slave của các hãng khác nhautrên cùng một mạng Mỗi phần tử này đợc gán một địa chỉ riêng biệt, có thể dùng thiết

bị chuyên dụng để đặt địa chỉ cho các AS-I Slave hoặc thông qua phần tử Master (ghépnối trực tiếp)

- Bộ lặp: Cho phép tăng khoảng cách truyền từ 100m lên tới 300m,

bộ lặp đợc ghép vào giữa hệ thống mạng trực tiếp trên các đờng

truyền tín hiệu

Hình 13: Mô hình mạng AS-I.

- Nguồn phụ trợ: Có thể sử dụng thêm nguồn nuôi phụ nếu dòng

yêu cầu của tất cả các phần tử Slave lớn hơn 2A Nguồn nuôi

này sẽ đợc nối với các phần tử Slave bằng một dây riêng

- Thiết bị đặt địa chỉ PSG: Dùng để gán đại chỉ cho các trạm

Slave

Cài đặt mạng:

Để lắp đặt hệ thống mạng AS-I, thực hiện theo những bớc sau:

- Gán địa chỉ cho tất cả các trạm tớ bằng thiết bị đặt địa chỉ PSG

- Sử dụng cable nối để nối tất cả các trạm AS-I Slave, AS-I Master, Nguồn cung cấp 30V,Repeater (nếu có) tạo thành hệ thống mạng

- Nếu sử dụng thêm nguôn nuôi phụ, cần sử dụng cable nối khác màu (để dễ phân biệt

ng-ời ta thờng chọn cable này có màu đen, trong khi cable truyền dữ liệu có màu vàng)

- Kết nối tất cả các cảm biến và cơ cấu chấp hành vào trạm AS-I Slave

- Nh vậy đờng truyền AS-I đã sẵn sàng, ta có thể cài đặt thông số cho trạm chủ

- Chuyển CPU về trạng thái STOP để cài đặt thông số cho module CP342

- Module CP342 ở trạng thái thiết lập (Configuration mode) sẽ nhận tất cả các trạm tớ kếtnối với nó (đèn báo sáng)

- Đặt module CP342 ở trạng thái đợc bảo vệ bằng cách nhấn nút SET trên module này, nó

sẽ lu tất cả địa chỉ các trạm tớ và có thể thực hiện truyền thông Đèn LED “CM” sáng

- Chuyển CPU sang trạng thái RUN-P Việc cài đặt mạng đã hoàn thành

Lập trình:

Sau khi cài đặt xong hệ thống mạng bạn có thể lập trình điều khiển cho toàn hệ thốngmạng vừa thiết lập, chơng trình điều khiển sẽ phụ thuộc vào quá trình công nghệ, ở đâykhông tập trung vào hớng dẫn lập trình, do đó chỉ sử dụng một bài toán lập trình đơn giản

nh một ví dụ minh hoạ

Kết nối PSG với trạm

AS-I Slave

1 Bật nguồn PSG (START)

2 Kích hoạt PSG (ENTER)

3 Chọn Master (F3)

4 Chọn chế độ hoạt

động Single operation (F1)

5 Chọn New address (F1)

6 Kích hoạt AS-I address (ENTER).

7 Nhập địa chỉ trạm AS-I slave (ví dụ là 2)

8 Xác nhận địa chỉ (ENTER)

9 Về menu chính (2x ESC)

10 Tắt nguồn PSG VD: Trạm Slave có

địa chỉ là 2

§Æt tªn cho Projcet võa t¹o ra (vÝ dô: ASI_CP342_2)

Tạo ra một trạm PLC S7-300 để lập trình bằng cách chọn:

->Insert -> Station -> SIMATIC 300-Station

Sau đó kích đúp chuột vào biểu tợng SIMATIC 300 (1) ở cửa sổ bên phải (hoặc kích chuộtvào dấu cộng bên cạnh dòng chữ SIMATIC 300 ở cửa sổ bên trái) để vào vào phần thiết lậpcấu hình cứng Hardware configuration.

Mở cửa sổ thiết lập cấu hình cứng bằng cách kích đúp chuột vào Hardware

Mở cửa sổ Hardware catalog bằng cách kích vào biểu tợng trên cửa sổ HW config.Lúc này bạn có thể nhìn thấy rất nhiều th mục bao gồm PROFIBUS-DP, SIMATIC 300, SIMATIC 400 và SIMATIC PC Based Control trong catalog thiết bị này Tất cả các thiết

bị thuộc dòng họ S7-300 sẽ nằm trong th mục SIMATIC 300

Đa vào một thanh rail bằng cách kích đúp chuột vào Rail -> SIMATIC 300

-> RACK-300 -> Rail

Bây giờ rất dễ dàng, bạn có thể chọn tất cả các thiết bị bạn sử dụng để chèn vào các vị trí(slot) tơng ứng theo quy tắc thiết lập cấu hình cứng Để đặt một thiết bị vào một vị trí nào đó,chọn slot cần đặt, sau đó kích đúp vào thiết bị trên cửa sổ catalog (hoặc bạn có thể bấm vàgiữ chuột để kéo thiết bị từ cửa sổ catalog sang vị trí tơng ứng).

Hãy tìm và đọc đúng mã thiết bị trên các thiết bị (bạn có thể ghi lại các mã này), chọn đúngcác thiết bị này trên catalog thiết bị

Trớc tiên đặt vào slot 1 một nguồn nuôi PS 307-2A

-> SIMATIC 300 -> PS-300 -> PS 307 2A

B¹n cã thÓ nh×n thÊy m· thiÕt bÞ trong catalog ë bªn díi cöa sæ catalog.

§Æt vµo Slot 2 mét CPU 315-2DP

-> SIMATIC 300 -> CPU-300 -> CPU 315-2DP -> 6ES7 315-2AF03-0AB0 -> V1.1

Đây là CPU có tích hợp khả năng truyền thông Profibus-DP, bởi vậy chúng ta có thể thay đổi

địa chỉ truyền thông ở giao diện xuất hiện tiếp theo

Tuy nhiên ở đây chúng ta sẽ không thực hiện truyền thông Profibus-DP, chọn OK

Slot thứ 3 bỏ trống (vì chúng ta không sử dụng module ghép nối IM )

Bạn có thể chèn vào slot thứ 4 và thứ 5 các module vào/ra số

-> SIMATIC 300 -> SM-300 -> DI-300 -> SM 321 DI16xDC24V

-> SIMATIC 300 -> SM-300 -> DO-300 -> SM 322 DO16xDC24V/0.5A

Cuối cùng ta đặt vào slot thứ 6 một module truyền thông AS-I CP342

SIMATIC 300 -> CP-300 -> AS-Interface -> CP 342-2 AS-i

Tín hiệu vào/ra module CP342 Master ghi/nhận từ các Slave sẽ đợc CPU lu giữ trong vùng nhớ analog Địa chỉ của các vùng nhớ analog này sẽ đợc gán tự động, bạn có thể nhìn thấy các địa chỉ này trong cửa sổ bên dới.

Chúng ta thấy địa chỉ các tín hiệu vào từ AS-I Slave ở đây là PIW288 đến PIW302 và địa chỉ tín hiệu ra của các AS-I Slave là PQW288 đến PQW302

Sau khi thiết lập cấu hình cứng cho hệ thống hoàn thành ta có thể lu giữ và download xuống PLC (chú ý: để có thể download, CPU phải ở trạng thái STOP)

Chän OK.

C¸c tÝn hiÖu vµo ra tõ c¸c tr¹m AS-I Slave sÏ chiÕm gi÷ 16 byte ®Çu vµo (b¾t ®Çu tõ PIW288)

vµ 16 byte ®Çu ra (PQW288) trong vïng nhí c¸c ®Çu vµo ra analog Gièng nh truy nhËp vµoc¸c ®Çu vµo ra t¬ng tù, chóng ta cã thÓ truy nhËp vµo c¸c vïng nhí nµy theo c¸c kiÓu word vµdouble word

VÝ dô: L PIW X //NhËn gi¸ trÞ ®Çu vµo kiÓu word tõ c¸c ®Çu vµo ngo¹i vi X

L PID X // Nhận giá trị đầu vào kiểu double word từ các đầu vào ngoại vi X

T PQW X //Gửi giá trị đầu ra kiểu word đến các đầu ra ngoại vi X

T PQD X // Gửi giá trị đầu ra kiểu double word đến các đầu ra ngoại vi X.Chúng ta có thể sử dụng các câu lệnh L (Load-Nhận) và T (Transfer-Gửi) để chuyển dữ liệu

từ các đầu vào ngoại vi đến các đầu vào hình ảnh, từ các đầu ra hình ảnh đến các đầu ra ngoại

vi Trong ví dụ trên đây, chúng ta sẽ chuyển toàn bộ dữ liệu đến các thanh ghi hình ảnh bắt

đầu từ thanh ghi 64

Bảng sau đây sẽ cho chúng ta biết vị trí các đầu vào/ra trên các trạm AS-I Slave tơng ứng với các bit trong vùng nhớ ngoại vi và các thanh ghi hình ảnh

Nút ấn S1 (trên trạm AS-I Slave 3) địa chỉ I 65.0

Nút ấn S2 (trên trạm AS-I Slave 3) địa chỉ I 65.1

Cuộn dây van điều khiển xi lanh tác động đơn (Trên trạm AS-I slave 4) địa chỉ Q66.4

ViÕt ch¬ng tr×nh:

-> SIMATIC Manager -> Blocks

Kích đúp chuột vào OB1 để mở cửa sổ soạn thảo chơng trình.

Tuỳ chọn ngôn ngữ soạn thảo, ở đây chọn là STL

So¹n th¶o ch¬ng tr×nh lÊy d÷ liÖu tõ c¸c ®Çu vµo AS-I Slave ghi vµo thanh ghi h×nh ¶nh (Process-Image Input) b¾t ®Çu tõ byte IB 64, xö lý d÷ liÖu vµ göi tíi c¸c ®Çu ra.

2 M¹ng Profibus-DP

Mạng Profibus-DP (Process Field BUS-Distributed Peripheral) nằm trong hệ thống mạngProfibus do một hiệp hội (bao gồm 13 công ty và 5 trờng đại học

của Đức hợp tác) phát triển năm 1991, nhằm mục đích phát triển

một hệ thống BUS trờng cho phép ghép nối mạng các thiết bị tự

động hoá ở cấp trờng lên cấp điều khiển quá trình Mạng Profibus

đợc chuẩn hoá quốc gia DIN19245 và trở thành chuẩn châu Âu

Đặc điểm của mạng này là chỉ những trạm chủ mới có quyền nhận thẻ bài và điều khiểnmạng Khi có thẻ bài trạm chủ đó sẽ thực hiện việc truyền dữ liệu với các trạm chủ khác

và các trạm tớ

- Thời gian một vòng quét vào khoảng 5-10ms

- Có thể thiết lập cấu hình mạng tối đa 127 điểm và dữ liệu truyền tối đa 246 byte

- Truyền dữ liệu với các tốc độ nằm trong dải 9,6Kbps-12Mbps

- Sử dụng chuẩn truyền RS-485 Có thể truyền tín hiệu sử dụng cable quang hoặc cablexoắn 2 dây (0.22mm2) có vỏ bọc chống nhiễu Sử dụng các trở kết thúc ở hai đầu cable

- Thiết lập và mở rộng mạng với các phần tử ngoại vi ngay cả khi mạng đang hoạt động

- Cấu trúc mạng tuyến tính hoặc hình cây (truck-line/drop-line, daisy-chain)

`

Segment Nút mạng (Node) Bộ lặp tín hiệu (Repeater)

Hình 14: Kiểu truy nhập Token-passing

- Số lợng trạm tối đa trên một segment (đoạn mạng) là 32, có thể sử dụng thêm cácRepeater để tăng số lợng trạm lên 128 (chú ý Repeater cũng đợc coi là một trạm).

- Khoảng cách truyền tối đa la 12km với cable điện và 23,8km với cable quang, khoảngcách truyền phụ thuộc vào tốc độ truyền theo bảng sau:

-

Tốc độ truyền

(Kbaud) 9,6 19,2 93,75 187,5 500 1500 3000 6000 12000Khoảng cách tối đa

Có các công cụ phần mềm trợ giúp và có khả năng chuẩn đoán lỗi.

Lớp DP Master 1: Lớp mạng này bao gồm các phần tử điều khiển trung tâm trao đổi

thông tin với các trạm phân tán theo phơng pháp hỏi vòng (polling) Các phần tửMaster trong lớp mạng này có các chức năng sau:

- Thu thập các thông tin từ các trạm DP Slave

- Tạo chu trình trao đổi thông tin với các DP Slave

- Đặt thông số và thiết lập cấu hình cho các DP Slave

- Điều khiển các DP Slave với các câu lệnh điều khiển

Các chức năng này đợc đặt độc lập dựa trên giao diện ngời sử dụng của dịch vụ giaodiện Các thiết bị điển hình cho lớp mạng này là các PLC, CNC, Robot Controler…

Lớp DP Master 2: Đây là lớp các thiết bị lập trình, thiết lập cấu hình và chuẩn đoán.

Lớp này đợc thiết lập ngay khi cài đặt mạng DP Lớp mạng này có thể giao tiếp với DPMaster lớp 1 và DP Slave Với DP Master lớp 1 có các chức năng sau:

- Nhập các thông tin chuẩn đoán của các DP Slave với các DP Master lớp 1

- Upload và download mảng thông tin

- Đặt và kích hoạt thông số hệ thống BUS

- Kích hoạt hoặc hoặc một DP Slave

- Hiệu chỉnh hoạt động DP Master lớp 1

Với DP Slave, các DP Master lớp 2 có các chức năng sau:

- Đọc thông tin cấu hình các DP Slave

- Đọc các thông tin vào/ra

- Đặt địa chỉ các DP Slave

Lớp DP Slave: Các trạm DP Slave có thể là các bộ điều khiển, phần tử đo, phần tử

đọc mã, các cơ cấu chấp hành cảm biến gọi là các trạm ngoại vi Các trạm này trao đổidữ liệu với các trạm chủ vứoi độ dài dữ liệu lớn nhất 246 byte, điển hình thờng sửdụng các thiết bị có độ dài dữ liệu sử dụng max 32 byte

2.2.2 Thiết lập mạng

Có thể thiết lập mạng Profibus-DP tới đa 126 trạm với một hoặc nhiều trạm chủ

2.3 Thiết lập mạng Profibus DP với PLC CPU 313C-2DP

Phần này sẽ hớng dẫn cách tạo lập một mạng Profibus- DP có thể truyền thông theo hai

chiều (bidirectional communication) từ các CPU S7-300

Để có thể ghép nối mạng Profibus – DP, các CPU phải có cổng DP, các CPU này sẽ có

mác hiệu có chữ DP (ví dụ : CPU 313C- 2DP, CPU 314C-2DP, CPU 315F- 2DP ), khi đó

ta sẽ sử dụng trực tiép các cổng này để ghép nối các CPU (trạm ) trong mạng, số lợng các

các trạm có thể lên tới 126 trạm

2.3.1 Cable nối mạng Profibus - DP:

Để ghép nối các thiết bị trong mạng Profibus – DP ta sử dụng cable Profibus, ta có

thể sử dụng cable nối do Siemens cung cấp, khi ghép nối cần chú ý tới công tắc tại đầu

nối

ở hai trạm hai đầu của mạng các công tắc đợc đặt ở vị trí ON, các trạm còn lại công

tắc đặt ở vị trí OFF

Mạng Profibus - DP sử dụng chuẩn truyền RS-485, đây là một chuẩn truyền công

nghiệp, tín hiệu truyền là điện áp vi sai trên hai dây (A và B), do đó có khả năng chống

nhiễu cao và cho phép truyền dữ liệu với khoảng cách lớn, khoảng cách giữa hai trạm

trong tối đa là 50m nếu sử dụng các bộ lặp tín hiệu (Repeater) sẽ cho phép nâng

Công tắc

Dây truyền tín hiệu

2.3.2 Thiết lập cấu hình và viết chơng trình điều khiển

Sau khi đã ghép nối các CPU, ta sẽ phải thiết lập cấu hình cứng cho các CPU này:Tạo một Project mới với tên tuỳ ý (ở đây ta sẽ đặt tên là ProDP ), sau đó từ menu

Insert vào Subnet, chọn 2Profibus

Bây giờ ta sẽ đa thêm hai trạm vào Project bằng cách tiếp tục vào Insert menu , vào

Station, chọn 2S7 300 Station (thực hiện hai lần), sau đó lần lợt đổi tên SIMATIC300(1)

thành Master và SIMATIC300(2) thành Slave

Nh vậy ta sẽ có hai trạm (một trạm chủ và một trạm tớ) trong Project Sau đây sẽ hớngdẫn cách thiết lập cấu hình cứng cho các loại trạm này

2.1 Thiết lập cấu hình cho các trạm tớ (Slave)

Trớc tiên ta thiết lập cấu hình cứng cho trạm Slave bằng cách nháy kép vào tên trạmnày và vào phần Hardware để chọn CPU (ở đây chọn CPU 313C-2DP có mã hiệu 6ES7313-6CE00-0A0B) sẽ xuất hiện màn hình

Muốn thay đổi tốc độ truyền dữ liệu ta nháy chuột vào nút Properties và lựa chọn tốc

độ truyền phù hợp (lu ý nếu thay đổi tốc độ truyền thì phải thay đổi ở tất cả các trạm, cónghĩa là các trạm trên mạng phải có cùng một tốc độ), ở ô Address ta có thể đặt địa chỉ

cho trạm này (địa chỉ có thể thay đổi từ 1ữ125) nếu mặc định là 2, sau đó chọn

Profibus(1) và OK

Từ cửa sổ hiện hành (cửa sổ HW Config-Slave) ta nháy đúp chuột vào Slot DP (hình

vẽ) để đặt thuộc tính cho trạm, lúc này sẽ xuất hiện cửa sổ Properties-DP

Trên cửa sổ này có bốn Menu:

− Menu General dùng để đặt tên cho trạm (trong trờng hợp này ta sẽ đặt tên trạm

là DP Slave)

− Menu Operating Mode cho phép ta có thể thay đổi thuộc tính cho trạm là

Trạm chủ (DP Master) hay trạm tớ (DP Slave) bằng cách nháy vào dấu kiểm

t-ơng ứng, ở đây ta đang thiết lập cấu hình cứng cho trạm tớ do đó ta sẽ chọn DP slave

− Menu Configuration cho phép ta xác định các địa chỉ truyền và nhận dữ liệu

của trạm, điều này rất quan trọng và có ý nghĩa khi lập trình, do đó ta sẽ nói cụ

thể về menu này: Trớc tiên vào menu Configuration, sau đó nhấn nút New sẽ

xuất hiện cửa sổ Properties-DP-Configuration-Row1

Trong cửa sổ này đợc chia ra làm ba phần:

- Phần thứ nhất là DP-Partner: Master dùng để xác định các địa chỉ truyền nhận dữ liệu

cho trạm chủ, do ta cha thiết lập trạm này nên nửa này cha đợc kích hoạt

- Phần thứ hai là Local Slave dùng để xác định các địa chỉ truyền, nhận dữ liệu cho trạm

đang thiết lập: ở ô address type nếu muốn xác lập vùng nhận dữ liệu từ trạm chủ ta

chọn Input, còn nếu là vùng truyền dữ liệu đi ta chọn Output, địa chỉ chính xác của vùngdữ liệu sẽ đợc đặt ở ô Address.

- Phần thứ ba cho phép ta xác định chiều dài của vùng dữ liệu truyền thông (Length), kiểu

dữ liệu (Unit)

(Nếu nh đặt nh trên ta sẽ có vùng nhận dữ liệu từ trạm Master với địa chỉ là I40, kích thớc

là 1 byte)

Sau khi đặt xong ta bấm OK, nh vậy ta đã đặt đợc địa chỉ cho dòng thứ nhất (Row1), tiếp

tục bấm nút New ta sẽ đặt đợc địa chỉ cho vùng nhớ truyền dữ liệu (hoặc cũng có thể là

nhận dữ liệu) ở các dòng tiếp theo

Sau khi đã xác định xong vùng địa chỉ truyền dữ liệu cho trạm ta có thể dịch và l u dữ(Save and Compile) cấu hình cứng này và Exit

Khối OB82

Trong CPU S7-300 tất cả các lỗi xảy ra đều đợc lu giữ trong một khối OB đặc biệt, đó

là OB82, OB này đợc dùng cho mục đích lập trình đặc biệt hoặc chuẩn đoán các lỗi.Cơ chế hoạt động của OB này nh sau: Nếu một lỗi xảy ra sẽ có một hàm ngắt sự kiện

và gọi OB82, nếu trong chơng trình không có OB82, CPU sẽ tự động chuyển sangtrạng thái dừng (STOP mode)

Nh vậy trong chơng trình lập trình (Block) chúng ta phải chèn thêm khối OB82 chomỗi trạm (và không cần lập trình thực hiện bất cứ một công việc gì ở trong OB này),bởi vì nếu không có khối OB82 này, khi một CPU có lỗi, nó tự động chuyển sangtrạng thái STOP, dẫn tới lỗi xảy ra ở hàng loạt các CPU tiếp theo (điều này có thể liên

hệ nh một phản ứng dây chuyền) và do đó hệ thống mạng của chúng ta sẽ bị phá huỷ

Để chèn khối OB82 vào chơng trình, ta vào Slave →CPU 313C-2DP → S7 Program(1) → Block, sau đó vào menu Insert, vào S7 block, chọn 1Organisation Block, đổi tên OB này thành OB82