Đề cương bài giảng mạng truyền thông công nghiệp

TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH 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 ng-êi lµ mét kh©u quan träng, th-êng xuyªn cã sù trao ®æi th«ng tin gi÷a ng-êi vµ m¸y. Con ng-êi lµm viÖc trong hÖ thèng ®Ó ho¹ch ®Þnh môc tiªu vµ ®-a ra c¸c quyÕt ®Þnh ®Ó hÖ ®i ®óng h-íng 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 tr-íc (do con ng-êi ®Æt tr-íc), kh«ng cã sù can thiÖp cña con ng-êi, con ng-êi chØ ®ãng vai trß khëi ®éng hÖ (trªn thùc tÕ ®ã lµ c¸c bé PID, PLC. MicroProccesor, c¸c m¹ch ®iÒu khiÓn r¬le-cont¾ct¬ ...). Nh- vËy hÖ thèng s¶n xuÊt tù ®éng bao gåm c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng, con ng-êi, hÖ thèng kho b·i, nguyªn liÖu... Qu¸ tr×nh trao ®æi th«ng tin gi÷a ng-êi vµ m¸y thùc hiÖn theo m« h×nh sau: MT

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 1

Ch-ơng 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 tin trong quá trình công nghệ hoặc quá trình sản xuất Trong hệ này con ng-ời là một khâu quan trọng, th-ờng xuyên có sự trao đổi thông tin giữa ng-ời và máy Con ng-ời làm việc trong hệ thống để hoạch định mục tiêu và đ-a ra các quyết định để hệ đi đúng h-ớng

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 ch-ơng trình đặt tr-ớc (do con ng-ời đặt tr-ớc), không có sự can thiệp của con ng-ời, con ng-ời 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

động bao gồm các hệ thống điều khiển tự động, con ng-ời, hệ thống kho bãi, nguyên liệu

Quá trình trao đổi thông tin giữa ng-ời và máy thực hiện theo mô hình sau:

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 2

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

Một hệ thống sản xuất tự động đ-ợc cấu thành từ một hay nhiều hệ con trong đó bao gồm cả con ng-ời Cấu trúc của hệ thống sản xuất tự động đ-ợc trình bày nh- hình 4.Tất

cả các hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất đều đ-ợc xây dựng trên hai cơ sở:

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

- Bảo đảm thông tin, bảo đảm kỹ thuật, bảo đảm ch-ơng trình

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

Hệ thống sản xuất tự động sẽ đ-ợc thực hiện nhờ quá trình truyền tin Với những hệ thống càng lớn, l-ợng thông tin trao đổi giữa ng-ời và máy càng nhiều, nếu không dùng máy móc hỗ trợ, sẽ cần một lực l-ợng đông đảo nhân lực để ghi nhận Cách làm này tốn thời gian và cũng rất dễ gây ra nhầm lẫn Ngày nay ng-ời ta th-ờng 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 th-ờng Máy tính đặt tại các phân x-ởng 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 đ-ợc xây dựng ở mức độ tự động hóa rất cao, giảm nhẹ sức lao động trí óc và chân tay của con ng-ời

Thông

tin vào

Đảm bảo kỹ thuật

Thông tin ra

Đối t-ợng

điều khiển

Thiết

bị điều khiển

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 3

Trên thực tế, một hệ thống sản xuất tự động th-ờng rất phức tạp, để nghiên cứu nó, ng-ời ta phải phân nhỏ thành từng phần để xem xét rồi sau đó tổng hợp lại

Mức độ tự động hoá của một hệ thống SXTĐ th-ờng đ-ợc 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 ch-ơng trình của con ng-ời đã cài đặt sẵn Một số thông tin về QTCN và kết quả của công việc điều khiển sẽ đ-ợc chuyển lên cấp 3 Cấp này th-ờng đặt các bộ điều khiển t-ơng tự (P,I,D) và các bộ điều khiển số Hiện nay sử dụng phổ biến là các bộ điều khiển 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 tin và trao đổi thông tin với cấp cao hơn hoặc ng-ời điều khiển thông qua giao diện Ng-ời-Máy

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 ứng vật t-, nguyên liệu, tài chính, lực l-ợng lao động, tình hình cung cầu trên thị

Central Computer Supervision

Computer Terminal

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

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 4

tr-ờng Máy tính trung tâm xử lý một khối l-ợng thông tin lớn, đ-a ra các giải pháp tối -u

để ng-ời điều khiển lựa chọn Ng-ời điều khiển có thể can thiệp sâu vào quá trình sản xuất, thậm chí có thể thay đổi mục tiêu sản xuất Cũng nh- ở cấp 2, cấp này sử dụng giao

diện Ng-ời-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 ng-ời, hạ giá thành sản phẩm Các thông tin luôn đ-ợc 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

Thời điểm xuất hiện

Cơ khí hoá Thay thế lao động cơ bắp của con ng-ời Máy tiện,

hợp

Trên cơ sở tự động hoá với sự trợ giúp của hệ thống máy tính để thực hiện các quá trình sản xuất 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, ng-ời lao động tránh đ-ợc những nơi lao động độc hại, nặng nhọc, công việc có tính lặp đi lặp lại

- Cho phép đáp ứng c-ờng độ sản suất cao,có thể sản xuất ra các sản phẩm với số l-ợng lớn

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 5

- 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 thu nhận thông tin (ví dụ: đo l-ờng các thông số của quá trình, tính chỉ tiêu thông số, các tín 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 tr-ớc về khả năng giảm chất l-ợng 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 ng-ời vận hành, bảo vệ chống cháy, bảo vệ

an toàn chung, bảo vệ môi tr-ờng

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 đ-ợc các chức năng của hệ

thống cần thiết kế Nó đ-ợc 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 đ-ợc 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 đ-ợc thiết kế thoả mãn một số chỉ tiêu chất l-ợng nào đó đã đề ra (Trên thực

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 6

tế, nó đ-ợc 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 l-ợng tiêu thụ ít nhất,giá thành rẻ nhất, cấu trúc đơn giản nhất và độ ổn định cao nhất Th-ờng áp dụng nguyên lý tính toán tối -u (nguyên lý pontriagin)

- Đảm bảo ch-ơng 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

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 7

B2 Xác định các thiết

bị

sử dụng trong hệ thống

B4 Xây dựng ch-ơng trình điều

Algorith điều khiển quy trình B

C1 Thu thập số liệu các quy trình điều

khiển

C2 Phân tích số liệu các quy trình

sử dụng trong hệ thống

C4 Đ-a ra các tín hiệu bổ trợ điều khiển

C3 Hiển thị số liệu trên màn hình

hệ thống điều khiển

Algorith điều khiển quy trình C

C5 Biên soạn tài

liệu

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

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 8

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:

HT-TT

CN1

CN2 CN3

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 9

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 và thu 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 nhiều chức năng khác nhau bên ngoài hoặc quá trình Hệ thống SCADA sẽ bao gồm một trạm chủ cho việc thu thập thông tin từ những thiết bị đầu cuối thông qua thủ tục thu thập số liệu từ các ph-ơng tiện truyền thông khác nhau Lấy lại thông tin và kết hợp với cảnh báo

để ng-ời điều khiển đ-a 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 t-ợng SCADA thực hiện một số nhiệm vụ chính sau:

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

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

- Thông tin từ xa với các đối t-ợng 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

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

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 10

Một máy tính đ-ợc 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 móc thiết 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 nh-ợc 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 ng-ời ta th-ờng dùng máy tính dự phòng, tuy nhiên sẽ nâng cao giá thành Nh-ợc điểm thứ nhất và một phần nh-ợc

điểm thứ hai sẽ đ-ợc 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 Ng-ời- Máy)

Hình 8: Mô hình SCADA của SIEMENS

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 11

5.3.2 Mô hình DCS

DCS (Distributed Control System) là hệ thống điều khiển phân tán, thực hiện ý t-ởng 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 ph-ơng pháp dùng dây nối và bảng cổ

điển Bên cạnh cách sử dụng ph-ơng pháp các cụm vào ra tại chỗ và các thiết bị chấp hành thông minh, ng-ời ta còn đ-a 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 đ-ợc nối với nhau và nối lên 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 điều khiển (Micro Controler), các bộ điều khiển thu gọn (Compact Controler) và các cụm vào

ra tại chỗ, các thiết bị cảm biến chấp hành đ-ợc nối lên trung tâm thông qua BUS tr-ờng Trong thực tế tuỳ theo tính chất ứng dụng và thể loại quá trình kỹ thuật mà cấu trúc trên

có thể đ-ợc đơn giản hoá hoặc mở rộng thêm

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 12

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

A S

I/O

A S

BUS tr-ờng

BUS hệ thống

ĐK

I/O

A S

Hình 9: Mô hình DCS

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 13

thay đổi phạm vi điều khiển và giám sát không chỉ ở cấp thao tác viên mà còn ở các cấp

điều hành x-ởng, cấp quản lý công ty, lãnh đạo công ty và cấp quản lý ngành Các công ty chuyên thiết kế và chế tạo các thiết bị và hệ thống tự động hoá đã không ngừng nghiên cứu để đ-a ra các sản phảm ngày càng -u việt Do ý t-ởng và giải pháp công nghệ khác nhau, do tính cạnh tranh và khả năng độc quyền về thiết bị, mà mỗi hãng phát triển cho mình những chuẩn riêng Mặc dù những giải pháp công nghệ là khác nhau nh-ng đều có chung một xu h-ớng là tiện dụng cho ng-ời dùng Do đó các thiết bị này đều đ-ợc phát triển trên các 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 cấu trúc mạng nh- sau:

PG

SIMATIC S5/S7

Hình 10: Cấu trúc mạng truyền thông của SIEMENS

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 14

Có ba ph-ơng 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 11: Mạng truyền thông SIEMENS

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN Page 15

6.2 M¹ng truyÒn th«ng cña OMRON

Còng nh- m¹ng truyÒn th«ng cña SIEMENS, m¹ng truyÒn th«ng gi÷a c¸c thiÕt bÞ

®iÒu khiÓn cña OMRON phô thuéc vµo yªu cÇu ng-êi sö dông Tuy nhiªn chóng ®-îc ph©n cÊp ë c¸c cÊp thùc hiÖn xö lý th«ng tin vµ ®iÒu khiÓn OMRON ®-a ra cÊu tróc m¹ng theo hai chiÒu ngang vµ däc nh- trªn h×nh vÏ

- CÊp 0: Lµ cÊp c¬ b¶n cña c¸c bé phËn thiÕt bÞ nh- Sensor, c¬ cÊu chÊp hµnh, Module c¬ khÝ, trùc tiÕp tham gia vµo qu¸ tr×nh s¶n xuÊt

Mechantroni

c Components

r

PL

C

Control Component

s

Station Comput

er

Factory Computer

Area Comput

er

Host Compute

SYSMAC WAY

SYSMAC NET ETHERNET

d NBS

H×nh 11: CÊu tróc m¹ng truyÒn th«ng OMRON

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 16

- 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 nghi với 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 hạn không 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

- Ph-ơng thức truyền thông kiểu Master-Slave

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

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

- Độ dài dữ liệu 512 byte

2.3 Lớp mạng SYSMAC NET

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 17

Đây là lớp mạng liên kết trực tiếp các máy tính và các trạm chủ có độ tin cậy cao với khả năng tự phản hồi và tự chẩn đoán lỗi của các thiết bị trên mạng Sử dụng các thiết

bị nh- CV500/1000/2000, CVM1, C1000H, C2000H

Đặc điểm : - Tốc độ truyền 2Mbps Đ-ờng truyền là cáp quang

- Số nút tối đa là 126

- 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)

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 18

Ch-ơng 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 trình công nghệ, vấn đề truyền tin ở đây rất quan trọng, trong ch-ơng này sẽ giới thiệu

một số loại mạng 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 dữ

liệu đều đ-ợc truyền chung trên một đ-ờng cable hai dây

- Có khả năng truyền bền vững trong môi tr-ờng công nghiệp (đạt tiêu chuẩn IP 67) nh-ng

không đòi hỏi cao về chất l-ợng 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 ph-ơng

pháp hỏi tuần tự (polling) Trạm chủ gửi bức điện có chiều dài 14 bit và chờ đợi trạm tớ trả

lời (với một khoảng thời gian định tr-ớc), trạm tớ trả lời với bức điện có chiều dài 7 bit:

Hình 12: Cấu trúc bức điện AS-I

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 19

- Các phần tử AS-I slave tích hợp AS-I chip, không sử dụng vi sử lý và phần mềm, làm cho việc lắp đặt rất dễ dàng

- Khả năng mở rộng tối đa 31 điểm, 4bit dữ liệu, ghép nối đ-ợc tối đa là 124 phần tử đầu vào và 124 phần tử đầu ra

- 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

Nh- đã biết mạng AS-I là hệ thống mạng mở, rất nhiều nhà sản xuất cung cấp thiết bị

và chúng có thể tích hợp vào cùng một hệ thông mạng Trong phần này sẽ h-ớng dẫn thiết lập mạng AS-I sử dụng module truyền thông CP342-2 của Siemens

Cấu trúc mạng:

Hình 13: Mô hình mạng AS-I

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 20

Trong mô hình trên bao gồm các phần tử:

- Nguồn cung cấp 30V: Nguồn cung cấp này đ-ợc ghép nối trực tiếp vào đ-ờng truyền

dữ liệu

- 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 hệ thống này với hệ thống BUS cao hơn và cho phép ng-ời sử dụng có thể

truy nhập vào các I/O Slave (việc này có thể thực

hiện trong ch-ơng trình của CPU S7-300 )

- Phần tử AS-I Slave: Có thể sử dụng nhiều phần tử

AS-I Slave của các hãng khác nhau trên cùng một

mạng Mỗi phần tử này đ-ợc 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 (ghép nối trực

tiếp)

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

vào giữa hệ thống mạng trực tiếp trên các đ-ờng truyền tín hiệu

- 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 đ-ợc 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 b-ớc sau:

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

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 21

- 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 th-ờng 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 đ-ờng 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 kết nối với nó (đèn báo sáng)

- Đặt module CP342 ở trạng thái đ-ợc bảo vệ bằng cách nhấn nút SET trên module này, nó sẽ l-u 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

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

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 22

Lập trình:

Sau khi cài đặt xong hệ thống mạng bạn có thể lập trình điều khiển cho toàn hệ thống mạng vừa thiết lập, ch-ơng trình điều khiển sẽ phụ thuộc vào quá trình công nghệ, ở

đây không tập trung vào h-ớng dẫn lập trình, do đó chỉ sử dụng một bài toán lập trình

đơn giản nh- một ví dụ minh hoạ

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 23

Đặt tên cho Projcet vừa tạo ra (ví dụ: ASI_CP342_2)

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

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 24

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

Sau đó kích đúp chuột vào biểu t-ợng SIMATIC 300 (1) ở cửa sổ bên phải (hoặc kích chuột vào dấu cộng bên cạnh dòng chữ SIMATIC 300 ở cửa sổ bên trái) để vào vào phần thiết lập cấu hình cứng Hardware configuration

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

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN Page 25

Më cöa sæ Hardware catalog b»ng c¸ch kÝch vµo biÓu t-îng trªn cöa sæ HW

config Lóc nµy b¹n cã thÓ nh×n thÊy rÊt nhiÒu th- môc bao gåm PROFIBUS-DP, SIMATIC 300, SIMATIC 400 vµ SIMATIC PC Based Control trong catalog thiÕt bÞ nµy TÊt c¶ c¸c thiÕt bÞ thuéc dßng hä S7-300 sÏ n»m trong th- môc SIMATIC 300

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 26

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

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

đúng các thiết bị này trên catalog thiết bị

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 27

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

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

Bạn có thể nhìn thấy mã thiết bị trong catalog ở bên d-ới cửa sổ catalog

Đặt vào Slot 2 một CPU 315-2DP

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

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 28

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

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 29

-> 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

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 30

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

Tín hiệu vào/ra module CP342 Master ghi/nhận từ các Slave sẽ đ-ợc CPU l-u giữ trong vùng nhớ analog Địa chỉ của các vùng nhớ analog này sẽ đ-ợc gán tự động, bạn có thể nhìn thấy các địa chỉ này trong cửa sổ bên d-ới

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 31

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 l-u giữ và

download xuống PLC (chú ý: để có thể download, CPU phải ở trạng thái STOP)

Chọn OK

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 32

Các tín hiệu vào ra từ các trạm AS-I Slave sẽ chiếm giữ 16 byte đầu vào (bắt đầu từ PIW288) và 16 byte đầu ra (PQW288) trong vùng nhớ các đầu vào ra analog Giống nh- truy nhập vào các đầu vào ra t-ơng tự, chúng ta có thể truy nhập vào các vùng nhớ này theo các kiểu word và double word

Ví dụ: L PIW X //Nhận giá trị đầu vào kiểu word từ các đầu vào ngoại 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 t-ơng ứng với các bit trong vùng nhớ ngoại vi và các thanh ghi hình ảnh

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 33

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 Viết ch-ơng trình:

-> SIMATIC Manager -> Blocks

Kích đúp chuột vào OB1 để mở cửa sổ soạn thảo ch-ơng trình

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN Page 34

Tuú chän ng«n ng÷ so¹n th¶o, ë ®©y chän lµ 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

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 35

2 Mạng Profibus-DP

Mạng Profibus-DP (Process Field BUS-Distributed Peripheral) nằm trong hệ thống mạng Profibus do một hiệp hội (bao gồm 13 công ty và 5 tr-ờng đại học của Đức hợp tác) phát

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 36

triển năm 1991, nhằm mục đích phát triển một hệ thống BUS tr-ờng cho phép ghép nối mạng các thiết bị tự động hoá ở cấp tr-ờng lên cấp điều khiển quá trình Mạng Profibus

đ-ợc chuẩn hoá quốc gia DIN19245 và trở thành chuẩn châu Âu EN50170 vào năm 1996 Mạng Profibus-DP là mô hình mạng mở, cho phép kết nối thiết bị của các hãng khác nhau trên cùng một mạng, có thể tạo ra một hệ thống mạng lớn với giá thành hạ và dễ thực hiện

Đặc điểm của mạng này là chỉ những trạm chủ mới có quyền nhận thẻ bài và điều khiển mạng 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

`

: Vòng logic token : Quan hệ chủ tớ

Hình 14: Kiểu truy nhập Token-passing

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 37

- 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 cable xoắn 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)

- Số l-ợng trạm tối đa trên một segment (đoạn mạng) là 32, có thể sử dụng thêm các Repeater để tăng số l-ợng trạm lên 128 (chú ý Repeater cũng đ-ợc coi là một trạm)

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

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

Hình 15: Cấu trúc mạng Profibus-DP

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 38

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

2.2 Thiết lập mạng Profibus-DP

Nh- đã biết, mạng Profibus DP có thể xây dựng có nhiều trạm chủ tạo thành nhiều lớp với các chức năng khác nhau của từng lớp để dễ dàng cho việc điều khiển, chẩn đoán lỗi cũng nh- bảo trì và sửa chữa mạng

2.2.1 Các lớp mạng

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 ph-ơng pháp hỏi vòng (polling) Các phần tử Master trong lớp mạng này có các chức năng sau:

Tốc độ truyền

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

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 39

- 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 đ-ợc đặt độc lập dựa trên giao diện ng-ời sử dụng của dịch vụ giao diện 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 đ-ợc thiết lập ngay khi cài đặt mạng DP Lớp mạng này có thể giao tiếp với

DP Master 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 đổi dữ liệu với các trạm chủ vứoi độ dài dữ liệu lớn nhất 246 byte, điển hình th-ờng sử dụng 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

BỘ MễN CƠ ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YấN Page 40

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

Phần này sẽ h-ớng 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 l-ợng 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

Hình 17: Mạng Profibus-DP nhiều trạm chủ

Vỏ bọc nối đất

Công tắc

Dây truyền tín hiệu