NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG MẠNG TRUYỀN THÔNG PLC S7-1200 QUA MẠNG ETHERNET

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG MẠNG TRUYỀN THÔNG PLC S7-1200 QUA MẠNG ETHERNET Chủ nhiệm đề tài: ThS TRẦN TIẾN LƯƠNG Thành viên tham gia: TS HOÀNG XUÂN BÌNH Hải Phòng, tháng 4/2016 I MỤC LỤC CHƯƠNG 1: KHẢ NĂNG TRUYỀN THÔNG QUA MẠNG ETHERNET CỦA PLC S7-1200 1.1 PLC S7-1200 1.2 Khả truyền thông qua mạng Ethernet PLC S7-1200 1.3 Truyền thông người dùng mở (Open User Communication) 1.3.1 Địa kết nối cấu trúc Profinet 1.3.2 Giao thức truyền thông CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TRUYỀN THÔNG MẠNG ETHERNET CHO PLC S7-1200 11 2.1 Mô hình mạng PLC 12 2.2 Giao tiếp mạng Profinet với PLC S7-1200 26 2.4 Xây dựng chương trình điều khiển cho PLC 18 2.3.1 Khai báo cấu hình phần cứng 18 2.3.2 Thuật toán điều khiển 19 2.3.3 Chương trình điều khiển 20 2.4 Một số kết thực 25 KẾT LUẬN 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 II MỞ ĐẦU Tính thiết đề tài Ngày nay, truyền thông hệ thống dần chiếm ưu Trong lĩnh vực biến tần, việc truyền thông PLC dần trở thành tiêu chuẩn kết nối hệ thống giảm thiểu độ phức tạp sơ đồ kết nối PLC hệ thống đảm bảo thông tin cho hoạt động PLC Điều khiển truyền thông cho PLC thực thông qua mạng Profibus, CAN, MOSBUS, Ethernet… Nhưng ứng dụng nhỏ việc thiết kế mạng Ethernet cho hiệu kinh tế cao sử dụng thiết bị phổ biến Ngoài ra, mạng Ethernet cho phép truyền tải lượng thông tin số điểm kết nối lớn vượt hẳn so với mạng truyền thông khác Làm việc môi trường yêu cầu cao nghiên cứu, việc tiếp cận đến lĩnh vực điều khiển để nâng cao chất lượng, đưa giải pháp điều khiển, xây dựng mô hình minh chứng lý thuyết toán thực tế, tác giả lựa chọn đề tài “Xây dựng hệ thống truyền thông PLC S7-1200 qua mạng Ethernet” Mục đích nghiên cứu Đề tài nghiên cứu phương pháp, cách thức làm truyền thông với biến tần PLC qua mạng Ethernet Từ đưa xây mạng truyền thông nhiều PLC Ethernet Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm mô hình Phương pháp nghiên cứu III Sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp suy luận, suy diễn việc xây dựng cương trình điều khiển Sử dụng phương pháp thực nghiệm để kiểm tra kết Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Về ý nghĩa khoa học: Đề tài đóng góp cho việc xây dựng hệ thống điều khiển biến tần qua mạng truyền thông Về ý nghĩa thực tiễn: Việc thực nghiệm thành công điều khiển mạng biến tần cho phép áp dụng vào hệ thống thực tế Kết đề tài ứng vào xây dựng hệ thống sản xuất thực công nghiệp IV CHƯƠNG 1: KHẢ NĂNG TRUYỀN THÔNG QUA MẠNG ETHERNET CỦA PLC S7-1200 1.1 PLC S7-1200 Bộ điều khiển khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ yêu cầu điều khiển tự động Sự kết hợp thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt tập lệnh mạnh mẽ khiến cho S7-1200 trở thành giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác Kết hợp vi xử lý, nguồn tích hợp, mạch ngõ vào mạch ngõ kết cấu thu gọn, CPU S7-1200 tạo PLC mạnh mẽ Sau người dùng tải xuống chương trình, CPU chứa mạch logic yêu cầu để giám sát điều khiển thiết bị nằm ứng dụng CPU giám sát ngõ vào làm thay đổi ngõ theo logic chương trình người dùng, bao gồm hoạt động logic Boolean, việc đếm, định thì, phép toán phức hợp việc truyền thông với thiết bị thông minh khác Một số tính bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến CPU chương trình điều khiển: Mỗi CPU cung cấp bảo vệ mật cho phép người dùng cấu hình việc truy xuất chức CPU Người dùng sử dụng chức “know-how protection” để ẩn mã nằm khối xác định CPU cung cấp cổng PROFINET để giao tiếp qua mạng PROFINET Các module truyền thông có sẵn dành cho việc giao tiếp qua mạng RS232 hay RS485 Các kiểu CPU khác cung cấp đa dạng tính dung lượng giúp cho người dùng tạo giải pháp có hiệu cho nhiều ứng dụng khác Hình 1.1: CPU PLC S7-1200 Bảng 1.1 So sánh model CPU Chức CPU 1211C Kích thước vật lí(mm) CPU1212C CPU 1214C 90 x 100 x 75 110 x 100 x 75 Bộ nhớ người dùng: - Bộ nhớ làm việc 25kB 50kB - Bộ nhớ nạp 1MB 2MB - Bộ nhớ giữ lại 2kB 2kB I/O tích hợp cục bộ: -6 ngõ vào / -8 ngõ vào/ -14 ngõ vào/ - Kiểu số ngõ ngõ 10 ngõ - Kiểu tương tự -2 ngõ -2 ngõ -2 ngõ Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào I 1024 byte ngõ Q Bộ nhớ bit (M ) Độ mở rộng moodul tín hiệu 4096 byte Không Bảng tín hiệu - Đơn pha - Vuông pha 3( mở rộng phía bên trái) 100 kHz 100 kHz 100 kHz 30 kHz 30 kHz 80 kHz 80 kHz 20 kHz 20 kHz 80 kHz Các ngõ xung Thẻ nhớ Thời gian lưu giữ đồng hồ thời gian thực Các modul truyền thông Các đếm tốc độ cao 8192 byte Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn) Thông thường 10 ngày / ngày 400C PROFINET cổng truyền thông Ethernet Tốc độ thực thi tính toán thực 18 μs/lệnh Tốc độ thực thi Boolean 0,1 μs/lệnh 1.2 Khả truyền thông qua mạng Ethernet PLC S7-1200 Một mạng truyền thông thiết lập thành phần truyền thông để ổn định mạng Một kết nối định nghĩa gồm: - Các thiết bị truyền thông - Kiểu kết nối (Ví dụ PLC, HMI hay thiết bị kết nối mạng) - Các thành phần mạng Các thiết bị truyền thông thực cài đặt (instruction) để thiết lập kết nối truyền thông Ta sử dụng tham số để rõ điểm cuối mạng truyền thông Sau kết nối thiết lập ổn định, tự trì giám sát CPU Hình 1.2 Truyền thông trực tiếp thiết bị qua mạng Ethernet Nếu kết nối bị ngắt (ví dụ như, đường truyền bị đứt) thiết bị củ động mạng (Active partner) thực tái ổn định lại đường truyền Do đó, ta không cần phải thiết lập lại truyền thông cho mạng Một CPU S7-1200 có khả truyền thông với thiết bị CPU khác,với thiết bị lập trình, với hình công nghiệp HMI với thiết bị Siemens sử dụng giao thức truyền thông TCP Cổng Profinet CPU 1211C, 1212C 1214C thiết bị chuyển mạch Ethernet Switching Nếu ta thực kết nối trực tiếp thiết bị lập trình hay HMI tới CPU mạng không yêu cầu phải có thiết bị chuyển mạch Ethernet Switching Tuy nhiên, mạng có nhiều CPU hay hình HMI cần phải có thêm thiết bị chuyển mạch Ethernet Switching cho mạng Hình 1.3 Truyền thông nhiều thiết bị PLC mạng Ethernet Riêng CPU1215C có sắn cổng Ethernet Switching nên sử dụng để truyền thông với CPU S7-1200 mà không cần sử dụng Ethernet Switching, Tuy nhiên, ta gắn thêm chuyển mạch CSM1277 4port Ethernet Switching để kết nối nhiều CPU hình HMI mạng 1.3 Truyền thông người dùng mở (Open User Communication) 1.3.1 Địa kết nối cấu trúc Profinet Khi ta sử dụng lệnh truyền thông TSEND_C, TRCV_C TCON để truyền nhận liệu cho mạng Profinet chương trình phần mềm Step tạo khối liệu DB để cấu hình kênh truyền thông thiết bị Trong số tham số địa mạng (Connection ID) phải: - Địa mạng (Connection ID) phải cho CPU Mỗi đoạn mạng khác cần có địa mạng khối liệu DB khác - Cả CPU chủ CPU tớ sử dụng địa mạng (connection ID) cho đoạn mạng, số ID mạng phải Số ID kết nối liên quan đến cấu trúc Profinet chương trình người dùng CPU riêng biệt - Ta sử dụng số cho số ID kết nối CPU Tuy nhiên, việc cấu hình số ID kết nối đánh số từ trở dễ dạng cho việc quản lý Ví dụ sau minh hoaj việc truyền thông CPU sử dụng đường truyền khác để truyền nhận liệu Hình 1.4 Truyền nhận liệu PLC đường truyền Ethernet  Lệnh TSEND_C CPU1 liên kết với lệnh TRCV_C CPU2 qua đường truyền thứ (“địa đường truyền 1” CPU2 CPU2)  Lệnh TRCV_C CPU1 liên kết với lệnh TSEND_C CPU2 qua đường truyền thứ (“địa đường truyền 2” CPU1 CPU2) Tiếp theo hình ảnh minh họa cho việc truyền thông CPU sử dụng đường truyền để truyền nhận liệu Hình 1.5 Truyền nhận liệu PLC đường truyền Ethernet sử dụng lệnh TSEND TRCV  Mỗi CPU sử đụng lệnh TCON để cấu hình kết nối CPU  Lệnh TSEND CPU1 liên kết với TRCV CPU2 việc sử dụng địa đường truyền (ID Connection) cấu hình lệnh TCON CPU1 Lệnh TRCV CPU2 liên kết với lệnh TSEND CPU1 cách sử dụng địa đường truyền cấu hình lệnh TCON CPU2  Lệnh TSEND CPU2 liên kết với TRCV CPU1 việc sử dụng địa đường truyền (ID Connection) cấu hình lệnh TCON CPU2 Lệnh TRCV CPU1 liên kết với lệnh TSEND CPU1 cách sử dụng địa đường truyền cấu hình lệnh TCON CPU1 Ta sử dụng lệnh TSEND TRCV cách độc lập để truyền thông qua kết nối tạo lệnh TSEND_C TRCV_C Các lệnh TSEND TRCV không tạo kết nối Vì lệnh phải Hình 2.5 Hàm USS_PORT  Hàm USS_DRIVE: hàm trao đổi liệu với thiết bị thông qua việc tạo điện làm rõ điện yêu cầu biến tần Hàm giúp người lập trình thiết lập giá trị vùng PZD cấu trúc điện theo giao thức USS Các thông số lệnh USS_DRIVE mô tả chi tiết sau: - RUN: khởi động / dừng động - OFF2: dừng nhanh động - F_ACK: phát lỗi - DIR: bit xác định chiều quay động biến tần điều khiển - DRIVE: địa biến tần - PZD_LEN: độ dài từ PZD - CRTL  8: giá trị viết tới thông số cầu hình người sử dụng thiết bị Người dùng phải cấu hình điều thiết bị 14 Hình 2.6 Lệnh USS_DRIVE - SPEED_SP: điểm đặt tốc độ tính theo tỉ lệ phần trăm tần số - NDR: Enable trạng thái đầu lên có liệu yêu cầu - ERROR: Enable trạng thái đầu lên xuất lỗi - STATUS: từ thể giá trị phản hồi từ biến tần - RUN_EN: bit biến tần chạy - D_DIR: chiều quay động biến tần điều khiển - INHIBIT: cho biết tình trạng bit cản trở biến tần - FAULT: cho biết tình trạng bit lỗi (0 – không lỗi ; – có lỗi ) 15 - SPEED: tốc độ động tính theo tỉ lệ phần trăm tần số - STATUS  8: chứa bit trạng thái tập trung thiết bị  Hàm USS_RPM : Hàm “USS_RPM” đọc cho phép thông số từ biến tần Tất hàm USS định tới mạng USS PtP module truyền thông phải sử dụng khối liệu “USS_RPM” phải gọi từ chương trình OB1 Hình 2.7 Hàm USS_RPM Ý nghĩa thông số lệnh USS_RPM: - REQ: cho phép lệnh USS_RPM hoạt động - DRIVE: địa biến tần mạng USS - PARAM: chứa thông số cần đọc từ biến tần Ví dụ : P1120, P0305… - INDEX: số thông số cần đọc từ biến tần Ví dụ : thông số P1120 có số - USS_DB: khối liệu chung mạng USS - DONE: Enable đầu lên lệnh USS_RPM thực - ERROR: Enable đầu lên lệnh USS_RPM không thực 16 - STATUS: từ phản hồi trạng thái lệnh USS_RPM - VALUE: giá trị đọc từ thông số yêu cầu biến tần  Hàm USS_WPM: hàm cho phép ghi tham số với giá trị mong muốn từ PLC tới biến tần Ý nghĩa thông số lệnh USS_WPM sau: - REQ: cho phép lệnh USS_WPM hoạt động - DRIVE: địa biến tần mạng USS - PARAM: thông số thay đổi biến tần Ví dụ: thông số P1120, P1121, P0305… - INDEX: số thông số thay đổi biến tần Ví dụ: thông số P1120 có số 0, thông số P1121 có số 0… - VALUE: giá trị ghi vào thông số thay đổi biến tần - DONE: Enable đầu lên lệnh USS_WPM thực - ERROR: Enable đầu lên lệnh USS_WPM không thực - STATUS: từ báo trạng thái lệnh USS_WPM Hình 2.9 Hàm USS_WPM 17 2.3 Xây dựng chương trình điều khiển cho PLC 2.3.1 Khai báo cấu hình phần cứng Hình 2.10 Cấu trúc trạm PLC số Hình 2.11 Cấu trúc trạm PLC sô 18 Hình 2.13 Màn hình HMI KTP 600 Trạm PLC S7-1200 cấu hình 2.11 Trạm sử dụng CPU 1214 DC/DC/DC làm thiết bị điều khiển toàn hệ thống PLC trang bị sẵn cổng Eithernet để kết nối với máy tính tạo giao diện làm việc với người vận hành Để mở rộng cổng truyền thông, ta sử dụng module CM1241 Module cho phép tạo liên kết điểm - điểm theo chuẩn RS422 tạo liên kết đa điểm theo chuẩn RS 485 2.4.2 Thuật toán điều khiển Thuật toán điều khiển chương trình mô tả hình 2.12 Công việc PLC bắt đầu kiểm tra đường truyền lưu lại giá trị trạng thái đường truyền mà PLC kiểm soát Việc kiểm tra để đảm bảo gửi tín hiệu đường truyền không xảy xung đột với điện trả lời từ trạm tớ Tiếp đó, sau khoảng thời gian định, PLC thực truyền thông Trước truyền thông, PLC kiểm tra kết trạng thái đường 19 truyền Nếu đường truyền trống PLC truyên liệu đến biến tần tương ứng Do lần ghi/đọc tham số giá trị từ biến tần nên ta phải sử dụng khoảng thời gian khác để thực lệnh truyền thông khác Hình 2.12 Thuật toán điều khiển chương trình 2.4.3 Chương trình điều khiển Chương trình PLC viết khối chương trình khố OB1 OB35 + Khối OB1: khối thực chương trình PLC Trong toán này, chương trình khối OB1 có nhiệm vụ trao đổi thông tin với biến tần sau khoảng thời gian nất định 20 + Khối 0b35: khối ngắt với chu kỳ xác định trươc với chuu kỳ 50ms Khối khai báo hàm USS-PORT để lặp lại việc kiểm tra thạng thái đường truyền Chương trình điều khiển khối OB35 Chương trình điều khiển khối OB1 21 22 23 Bảng tham số từ điều khiển từ rrangj thái cấu rúc truyền thông 24 2.4 Một số kết thực Hinh 2.13 Mô hình truyền thong PLC - biến tần 25 Hình 2.14 Kết liệu giám sát điều khiển biến tần máy tính Với kết thực nghiệm mô hình, ta thấy - Việc điều khiển giám sát tham số biến tần qua mạng USS thực tốt - Các giá trị giám sát cập nhật liên tục đảm bảo độ xác tín hiệu quan sát - Biến tần hoạt động tốt hệ thống vào làm việc 26 KẾT LUẬN Sau trình thực hiện, đề tài đạt kết sau: - Nghiên cứu truyền thông PLC S7-1200 sử dụng mạng Ethernet - Tiến hành thực thi mô kiểm chứng lý thuyến mô hình mạng PLC S7-1200 - Hệ thống hoạt động tốt với liệu PLC truyền nhanh chóng xác Tuy nhiên đề tài số hạn chế như: - Mới dừng lại việc xây dựng mạng mô hình phòng thí nghiệm chưa có điều kiện thử nghiệm truyền thông môi trường công nghiệp để kiểm tra tính chống nhiễu hệ thống Các kiến nghị: - Tiếp tục thực điều khiển PLC S7-1200 qua mạng Ethernet môi trường làm việc khác để nâng chao chất lượng hệ thống HP, ngày 22 tháng năm 2016 Trần Tiến Lương 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu “S7_1200_easy_book_en-US_en-US” nguồn https://cache.automation.siemens.com/dnl/zQ/zQxMTM0MwAA_397101 45_HB/s71200_easy_book_en-US_en-US.pdf Tài liệu “S7-1200 Programmable Controller” nguồn : https://www.automation.siemens.com Tài liệu “Siemens TCP/IP Ethernet” nguồn : https://www.automation.siemens.com 28