Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát biến tần ABB ACS 550 bằng phương thức modbus RTU

• Giao thức điều khiển vận chuyển (Transport Control Protocol – TCP) • ISO trên TCP (RFC 1006) CPU S71200 có thể giao tiếp với các CPU S71200 khác, với thiết bị lập trình STEP 7 Basic, với các thiết bị HMI, và với các thiết bị không phải của Siemens bằng cách sử dụng các giao thức truyền thông TCP tiêu chuẩn. Có hai cách để giao tiếp sử dụng PROFINET: • Kết nối trực tiếp: sử dụng kết nối trực tiếp khi ta đang sử dụng một thiết bị lập trình, HMI hay một CPU khác được kết nối đến một CPU riêng lẻ. • Kết nối mạng: sử dụng các truyền thông mạng khi ta đang kết nối với hơn hai thiết bị (ví dụ các CPU, HMI, các thiết bị lập trình, và các thiết bị không phải của Siemens). c

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đồ án này, em đã may mắn nhận được sự giúp đỡ rấtnhiều từ quý thầy cô Trước hết, em xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến quý thầy côkhoa Công nghệ tự động hóa, cũng như quý thầy cô của các khoa và bộ môn trườngĐại học Công nghệ thông tin & truyền thông đã nhiệt tình truyền đạt kiến thức và các

kinh nghiệm thực tế, đặc biệt là thầy Th.s Bùi Tuấn Anh là người đã hết sức quan tâm

và nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này

Do trình độ cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên bài báo cáo khôngthể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp Thầy, cô cácanh chị và các bạn cùng khóa Em xin tiếp thu những đóng góp ý kiến quý báu đó để

đồ án của em được hoàn thiện hơn

Thái Nguyên, ngày 16 tháng 05 năm 2020

Sinh viên thực hiện

HoạtNinh Văn Hoạt

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát biến tần ABB ACS 550 bằng phương thức modbus RTU” là do em thực hiện dưới

sự hướng dẫn của thầy Th.s Bùi Tuấn Anh Khoa Công nghệ tự động hóa, trường Đại

học Công nghệ Thông tin và Truyền thông Thái Nguyên Mọi trích dẫn và tài liệu thamkhảo mà em sử dụng đều có ghi rõ nguồn gốc

Em xin cam đoan toàn bộ nội dung đồ án tốt nghiệp này là do em tự tìm hiểu,nghiên cứu dưới sự định hướng của giáo viên hướng dẫn Nội dụng đồ án tốt nghiệpkhông sao chép và vi phạm bản quyền từ bất kì công trình nghiên cứu nào

Thái Nguyên, ngày 16 tháng 05 Năm 2020

Sinh viên thực hiện

Hoạt Ninh Văn Hoạt

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay tự động hóa đang phát triển mạnh mẽ giúp con người làm việc nhẹnhàng hơn, tự động hóa là việc sử dụng nhiều hệ thống điều khiển cho các thiết bị hoạtđộng như máy móc, xử lý tại các nhà máy, nồi hơi, lò xử lý nhiệt, chuyển mạch trongmạng điện thoại, chỉ đạo và ổn định của tàu, máy bay và các ứng dụng khác với conngười can thiệp tối thiểu hoặc giảm Một số quy trình đã được hoàn toàn tự động

Để cải thiện cũng như là tối ưu được chất lượng làm việc của các máy móc thiết

bị, giúp chúng đồng bộ hóa trong các khâu hoạt động, xử lý được chính xác hơn thì sự

ra đời của các phương thức truyền thông đã khắc phục được nhược điểm trên

Ngày nay đã có rất nhiều phương thức cũng như các chuẩn giao tiếp khác nhauđược ra đời, với các ưu nhược điểm khác nhau tạo nên sự đa dạng và ứng dụng khácnhau trong các môi trường làm việc, điển hình như các chuẩn giao tiếp: ModbusTCP/IP, RS232, RS485…

Tuy nhiên, trong thực tế một thiết bị điều khiển cần điều khiển rất nhiều cácthiết bị máy móc khác nhau hoạt động đồng thời với các khâu xử lý khác nhau, chính

vì vậy em lựa chọn đề tài: “ Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát biến tần ABB ACS 550 bằng phương thức modbus RTU ” để có thể đáp ứng được nhu cầu thực tế

hiện tại cũng như đem lại những kiến thức vô cùng quý báu giúp cho sinh viên cóthêm nền tảng vững chắc khi ra ngoài làm việc

Mục tiêu:

Đưa ra được mạch phần cứng hệ thống và giao diện điều khiển và giám sát các thông số động cơ qua biến tần ABB kết nối với PLC S7 1200 trên HMI

Bố cục đồ án:

Chương 1: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 2: Phân tích thiết kế hệ thống

Chương 3: Kết quả đạt được

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Tổng quan về truyền thông

1.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì?

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp hay mạng công nghiệp

là một khái niệm chung chỉ các hệ thống thông số, truyền bít nối tiếp, được sử dụng đểghép nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp phổbiến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, thiết bịquan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản

lý công ty

Để thấy rõ đề cập của lĩnh vực truyền thông công nghiệp, ta cần phân biệt vớicác hệ thống mạng viễn thông và mạng máy tính Về cơ sở kỹ thuật, mạng côngnghiệp và các hệ thống mạng viễn thông có rất nhiều điểm tương đồng, tuy nhiên cónhững điểm khác biệt sau:

+ Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn hơnrất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật ( cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, tính năng thờigian thực …) rất khác, cũng như các phương pháp truyền thông( truyền tải dải rộng)dải cơ sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch, ) thường phức tạp hơn nhiều so vớimạng công nghiệp

+ Đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bị kỹ thuật,trong đó cong người đóng vai trò chủ yếu Vì vậy các dạng thông tin cần trao đổi baogồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dư liệu Đối tượng của mạng công nghiệp thuầntúy là các thiết bị công nghiệp nên dạng thông tin quan tâm duy nhất là dữ liệu

Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máytính, có thể so sánh với mạng máy tính thông thường ở các điểm giống nhau và khácnhau như sau:

+ Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của 2 lĩnh vực+ Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp được coi

là một phần( ở các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty)trong mô hình phân cáp của mạng công nghiệp

+ Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trongmôi trường công nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn so với một mạngmáy tính thông thường, trong khi đó mạng máy tính thường yêu cầu cao hơn về độ bảo mật.

+ Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau có thể nhỏ như mạng Lancho một nóm vài máy tính hoặc lớn như mạng Internet Trong nhiều trường hợp mạngmáy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu của mạng viễn thông Trong khi đó,cho đến nay các hệ thống mạng công nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạtđộng tương đối hẹp

Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt là ở các cấp dưới thì cácyêu cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản, giá thành hạ lại đượcđặt ra hàng đầu

1.2 Vai trò của mạng truyền thông trong công nghiệp

Ghép nối thiết bị, trao đổi thông tin là một trong những vấn đề cơ bản trong bất

cứ một giải pháp tự động hóa nào Một bộ điều khiển cần được kết nối với cảm biến và

cơ cấu chấp hành Giữa các hộ điều khiển trong hệ thống điều khiển phân tán cũng cầntrao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện điều khiển cả quá trình sản xuất Ởmột cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần được ghépnối và giao tiếp với các bộ điều khiển để theo dõi, giám sát toàn bộ quá trình sản xuất

và hệ thống điều khiển

Hình 1.1: Nối dây truyền thông(a) và nối mạng công ngiệp(b)

Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thếcách nối điểm-điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại những lợi ích sau:

+ Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp

+ Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống trở nên dế dàng hơn

+ Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin.

+ Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống

+ Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc tham số hóa chuẩn đoán, định vị lỗi, sự cốcủa các thiết bị

+ Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Điềukhiển phân tán, điều khiển phân tán với các thiết bị trường, điều khiển giám sát hoặcchuẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển giám sátvới thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty

1.3 Chế độ truyền tải của mạng truyền thông công nghiệp

1.3.1 Chế độ truyền tải song song

Phương pháp truyền bít song song ( hình 1.2) được dùng phổ biến trong các bus

nội bộ của máy tính như bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển Tốc độ truyền tảiphụ thuộc vào số kênh dẫn, hay cũng chính là độ rộng của bus song song, ví dụ 8 bit, 6bit, 32 bit hay 64 bit Chính vì nhiều bus được truyền đi đồng thời, vấn đề đồng bộ hóa

và nơi nhận tín hiệu phải được giải quyết Điều này gây trở ngại lớn khi khoảng cáchgiữa các đối tượng truyền thông tăng lên Ngoài ra giá thành cho các bus song songcũng là một yếu tố dẫn đến phạm vi ứng dụng của các phương pháp này chỉ hạn chế ởkhoảng cách nhỏ, có yêu cầu rất cao về tốc độ truyền

Hình 1.2: Truyền bit song song

1.3.2 Truyền bit nối tiếp

Với phương pháp truyền bit nối tiếp, từng bước được chuyển đi một cách tuần

tự qua một đường truyền duy nhất( hình 1.3)

Hình 1.3: Truyền bít nối tiếp

Tuy tốc độ bít vì thế bị hạn chế, nhưng cách thực hiện lại đơn giản, độ tin cậycủa dữ liệu cao Tất cả các mạng truyền thông công nghiệp đều sử dụng phương pháptryền này

Một mạng tryền thông công nghiệp có nhiệm vụ kết nối các thiết bị kỹ thuật cókhả năng xử lý thông tin hay nói cách khác là xử lý dữ liệu Những thiết bị đó dù tồntại dưới dạng này hay dạng khác cũng đều là những máy tính, có bộ vi xử lý và hệthống bus nội bộ song song Vì vậy, để có thể dùng phương pháp truyền nối tiếp, tacần trọn các bộ chuyển đổi giữa bus song song và nối tiếp, như được minh họa trên

hình 1.4

Hình 1.4: Bộ chuyển đổi bus song song và nối tiếp

1.3.3 Truyền thông của PLC

CPU S7-1200 có một cổng PROFINET được tích hợp, hỗ trợ cả tiêu chuẩntruyền thông Ethernet và dựa trên TCP/IP Các giao thức ứng dụng sau đây được hỗtrợ bởi CPU S7-1200:

• Giao thức điều khiển vận chuyển (Transport Control Protocol – TCP)

• ISO trên TCP (RFC 1006)

CPU S7-1200 có thể giao tiếp với các CPU S7-1200 khác, với thiết bị lập trìnhSTEP 7 Basic, với các thiết bị HMI, và với các thiết bị không phải của Siemens bằngcách sử dụng các giao thức truyền thông TCP tiêu chuẩn Có hai cách để giao tiếp sửdụng PROFINET:

• Kết nối trực tiếp: sử dụng kết nối trực tiếp khi ta đang sử dụng một thiết bịlập trình, HMI hay một CPU khác được kết nối đến một CPU riêng lẻ

• Kết nối mạng: sử dụng các truyền thông mạng khi ta đang kết nối với hơnhai thiết bị (ví dụ các CPU, HMI, các thiết bị lập trình, và các thiết bị khôngphải của Siemens)

Kết nối trực tiếp: thiết bị lập trìnhđược kết nối đến CPU S7-1200

Kết nối trực tiếp: HMI được kết nốiđến CPU S7-1200

Kết nối trực tiếp: một CPU S7-1200được kết nối đến một CPU S7-1200khác

Kết nối mạng: cónhiều hơn 2 thiết bịđược kết nối vớinhau, bằng cách sửdụng một bộ chuyểnmạchEthernet

CSM1277 

Hình 1.5: Cách kết nối PLC và HMI

Một bộ chuyển mạch Ethernet là không cần thiết đối với một kết nối trực tiếpgiữa một thiết bị lập trình hay HMI với một CPU Bộ chuyển mạch Ethernet chỉđược yêu cầu cho một mạng với nhiều hơn 2 CPU hay các thiết bị HMI Bộ chuyểnmạch Ethernet 4 cổng CSM1277 của Siemens có thể được dùng để kết nối các CPU

và các thiết bị HMI Cổng PROFINET trên CPU S7-1200 không chứa một thiết bịchuyển mạch Ethernet

Số lượng tối đa các kết nối đối với cổng PROFINET

Cổng PROFINET trên CPU hỗ trợ các kết nối truyền thông đồng thời sau đây:

• 3 kết nối đối với truyền thông HMI đến CPU

• 1 kết nối đối với truyền thông thiết bị lập trình (PG) đến CPU

• 8 kết nối đối với truyền thông chương trình S7-1200 bằng cách sử dụng cáclệnh khối T (TSEND_C, TRCV_C, TCON, TDISCON, TSEN, TRCV)

• 3 kết nối đối với một CPU S7-1200 thụ động giao tiếp với một CPU S7 tích cực

- CPU S7 tích cực sử dụng các lệnh GET và PUT (S7-300 và S7-400) hay cáclệnh ETHx_XFER (S7-200)

- Một kết nối truyền thông S7-1200 tích cực chỉ có thể thực hiện với các lệnhkhối T

Các TSAP bị hạn chế hay các số hiệu cổng đối với truyền thông ISO và TCP tích cực

Nếu ta sử dụng lệnh “TCON” để thiết lập và tạo thành một kết nối truyềnthông tích cực, các địa chỉ cổng sau đây bị hạn chế và không nên được dùng:

• TSAP ISO (tích cực): 01.00, 01.01, 02.00, 02.01, 03.00, 03.01

• Cổng TCP (tích cực): 5001, 102, 123, 20, 21, 25, 34962, 34963, 34964, 80

1.4 Truyền thông giữa PLC và PC

Một CPU có thể giao tiếp với một thiết bị lập trình STEP 7 Basic trên một mạng

Cần chú ý đến những điềusau khi thiết lập truyền thông giữamột CPU và một thiết bị lập trình

Hình 1.6: Kết nối trực tiếp PC và PLC

• Cấu hình/thiết lập: cấu hình phần cứng được yêu cầu

• Không có một bộ chuyển mạch Ethernet nào được yêu cầu đối với truyềnthông một đối một; một bộ chuyển mạch Ethernet được yêu cầu cho nhiềuhơn hai thiết bị trong một mạng.

1.4.1 Kết nối truyền thông phần cứng.

Các giao diện PROFINET thành lập các kết nối vật lý giữa một thiết bị lậptrình và một CPU Bởi vì chức năng Auto-Cross-Over được tích hợp bên trong CPU,một cáp Ethernet tiêu chuẩn hoặc xuyên chéo có thể được sử dụng cho giao diện.Một bộ chuyển mạch Ethernet không được yêu cầu để kết nối một thiết bị lập trìnhmột cách trực tiếp đến một CPU

Thực hiện theo các bước sau đây để tạo ra kết nối phần cứng giữa thiết bị lậptrình và một CPU:

1 Lắp đặt CPU

2 Cắm cáp Ethernet vào trong cổng PROFINET được thể hiện dưới đây

3 Kết nối cáp Ethernet đến thiết bị lập trình

Hình 1.7: Module PLC trong giao diện Tia Portal

1.4.3 Gán các địa chỉ IP (Internet Protocol)

1.4.3.1 Gán các địa chỉ IP đến các thiết bị lập trình và các thiết bị mạng

Nếu thiết bị lập trình đang sử dụng một mạch giao tiếp tích hợp được kết nối

đến mạng LAN của nhà máy (và world-wide web là có sẵn), Network ID của địa chỉ IP

và màn chắn mạng con của CPU và mạch giao tiếp tích hợp của thiết bị lập trình phảigiống nhau một cách chính xác Network ID là phần đầu tiên của địa chỉ IP (ba nhóm

8 bit đầu tiên) (ví dụ 211.154.184.16) xác định mạng IP nào mà ta đang kết nối Màn

chắn mạng con thường có một giá trị là 255.255.255.0; tuy nhiên, vì máy tính của ta

đang ở trên một mạng LAN của nhà máy, màn chắn mạng con có thể có các giá trị

khác nhau (ví dụ 255.255.255.0) nhằm mục đích thiết lập các mạng con đồng nhất

Màn chắn mạng con, khi được kết nối với địa chỉ IP trong phép toán ANDthuộc về toán học, sẽ xác định các giới hạn của một mạng con IP

Trong một chuỗi sự kiện world-wide web, nơi mà các thiết bị lập trình, các thiết

bị mạng và các bộ định tuyến (router) IP sẽ giao tiếp với toàn thế giới, các địa chỉ IP

đơn nhất phải được gán để tránh sự xung đột với các người dùng mạng khác Để gáncác địa chỉ IP ta nên liên hệ với nhân sự tại phòng IT trong công ty

Nếu thiết bị lập trình đang sử dụng một mạch giao tiếp Etherner – USB đượckết nối đến một mạng bị cô lập, Network ID của địa chỉ IP và màn chắn mạng con củaCPU và của mạch giao tiếp Etherner – USB trong thiết bị lập trình phải giống nhau

một cách chính xác Network ID là phần đầu tiên của địa chỉ IP (ba nhóm 8 bit đầu

tiên) (ví dụ 211.154.184.16) xác định mạng IP nào mà ta đang kết nối Màn chắn mạng con thường có một giá trị là 255.255.255.0 Màn chắn mạng con, khi được kết nối với

địa chỉ IP trong một phép toán AND thuộc về toán học, sẽ xác định các giới hạn của IP

Bảng 1.1 Các mạch giao tiếp thiết bị lập trình

Mạch giao

tiếp thiết bị

lập trình

Kiểu mạng

Địa chỉ IP Màn chắn mạng con

Mạch giao

tiếp tích hợp

Được kết nối đến mạng LAN của nhà máy (và

world- wide web

là có sẵn)

Network ID của CPU

và của mạch giao tiếp trong thiết bị lập trình phải giống nhau một cách chính xác.

Network ID là phần đầu tiên của địa chỉ IP

(ba nhóm 8 bit đầu

tiên) (ví dụ 211.154.184.16) xác định mạng IP nào mà

ta đang kết nối.

Màn chắn mạng con của CPU và mạch giao tiếp tích hợp phải giống nhau một cách chính xác.

Màn chắn mạng con thường có một giá trị là

255.255.255.0; tuy nhiên, vì máy tính của ta

đang ở trên một mạng LAN của nhà máy, màn chắn mạng con có thể có các giá trị khác

nhau (ví dụ 255.255.254.0) nhằm mục đích

thiết lập các mạng con đồng nhất Màn chắn mạng con, khi được kết nối với địa chỉ IP trong phép toán AND thuộc về toán học, sẽ xác định các giới hạn của một mạng con IP.

bị cô lập

Network ID của CPU

và của mạch giao tiếp Ethernet-USB trong thiết bị lập trình phải giống nhau một cách chính xác.

Network ID là phần đầu tiên của địa chỉ IP

(ba nhóm 8 bit đầu

tiên) (ví dụ 211.154.184.16) xác định mạng IP nào mà

ta đang kết nối.

Màn chắn mạng con của CPU và mạch giao tiếp tích hợp phải giống nhau một cách chính xác.

Màn chắn mạng con thường có một giá trị là

255.255.255.0 Màn chắn mạng con, khi

được kết nối với địa chỉ IP trong một phép toán AND thuộc về toán học, sẽ xác định các giới hạn của một mạng con IP.

1.5 Giao tiếp giữa PLC và PLC

Hình 1.8: Kết nối giao tiếp giữa PLC và PLC

Một CPU có thể giao tiếp với một CPU khác trên một mạng bằng cách sửdụng các lệnh TSEND_C và TRCV_C.

Cần chú ý đến những điều sau đây khi thiết lập truyền thông giữa hai CPU:

• Cấu hình/Thiết lập: cấu hình phần cứng được yêu cầu

• Các chức năng được hỗ trợ: đọc/ghi dữ liệu đến một CPU ngang hàng

• Không có chuyển mạch Ethernet nào được yêu cầu đối với truyền thông mộtđối một; chuyển mạch Ethernet chỉ cần thiết đối với trường hợp trong mạng

có từ hai thiết bị trở lên

Bảng 1.2 Các bước cần thiết trong việc cấu hình truyền thông giữa hai CPU

1

Thành lập kết nối truyền thông phần cứng

Một giao diện PROFINET thành lập kết nối vật lý giữa một HMI và một CPU Dochức năng Auto-Cross-Over được thiết kế bên trong CPU, ta có thể sử dụng cả cápEthernet loại tiêu chuẩn hay loại xuyên chéo cho giao diện Kết nối giữa một HMIđến một CPU không yêu cầu chuyển mạch Ethernet

2 Cấu hình các thiết bị

Ta phải cấu hình hai đề án với CPU trong mỗi đề án

3 Cấu hình các kết nối mạng logic giữa hai CPU.

4

Cấu hình một địa chỉ IP trong đề án

Sử dụng cùng một quá trình cấu hình, tuy nhiên ta phải cấu hình các địa chỉ IP cho

cả hai CPU

5

Cấu hình các thông số truyền (gửi) và nhận

Ta phải cấu hình các lệnh TSEND_C và TRCV_C trong cả hai CPU để kích hoạttruyền thông giữa chúng

6 Kiểm tra mạng PROFINET

Ta phải tải xuống cấu hình cho mỗi CPU

1.5.1 Cấu hình kết nối mạng logic giữa hai CPU.

Sau khi cấu hình CPU trên thanh đỡ, bây giờ ta sẵn sàng để cấu hình các kết nốimạng

Trong cổng “Devices and Networks”, sử dụng “Network view” để tạo ra các kếtnối mạng giữa các thiết bị trong đề án Để tạo ra kết nối PROFINET, lựa chọn hộp

màu xanh lá (PROFINET) trên PLC đầu tiên Kéo một đường đến hộp PROFINETtrên PLC thứ hai Thả chuột và kết nối PROFINET đã được nối.

Bảng 1.3 Cách cấu hình kết nối mạng giữa các CPU của PLC

Lựa chọn “Network view” để hiển thị

các thiết bị dùng để kết nối

Lựa chọn cổng trên một thiết bị và kéo

kết nối đến cổng trên thiết bị thứ hai

Thả chuột để tạo ra kết nối mạng

1.5.2 Cấu hình các thông số truyền (phát) và nhận

Truyền thông khối truyền phát (T-block) được sử dụng để thành lập các kết nốigiữa hai CPU Trước khi CPU có thể liên hợp vào truyền thông PROFINET, ta phảicấu hình các thông số dành cho các thông điệp truyền (gửi) và các thông điệp thu Cácthông số này thể hiện cách thức truyền thông hoạt động khi các thông điệp đang đượctruyền phát hay thu nhận từ một thiết bị đích

1.5.3 Cấu hình các thông số truyền (gửi) của lệnh TSEND_C

Lệnh TSEND_C

Lệnh TSEND_C tạo ra một kết nối truyền thông đến một trạm đồng hành Kết

nối được thiết lập, tạo thành và được giám sát một cách tự động cho đến khi nó được

ra lệnh để ngắt kết nối bởi một lệnh Lệnh TSEND_C kết hợp các chức năng của cáclệnh TCON, TDISCON và TSEND

Từ mục Device Configuration trong STEP 7 Basic, ta có thể cấu hình cách thức

mà lệnh TSEND_C truyền phát dữ liệu Để bắt đầu, ta chèn lệnh vào trong chươngtrình từ thư mục “Communication” trong “Extended Instruction” Lệnh sẽ được hiểnthị, cùng với hộp thoại “Call Options” mà tại đó ta gán một DB để lưu trữ các thông sốcủa lệnh TSEND_C

Hình 1.9 Khối lệnh TSEND_C

Ta có thể gán các vùng nhớ thẻ ghi đến các ngõ vào và ngõ ra, như được thểhiện trong hình dưới đây:

Hình 1.10 Khối lệnh TSEND_C sau khi khai báo

Cấu hình các thông số General

Ta xác định các thông số truyền thông trong hộp thoại cấu hình Properties củalệnh TRCV_C Hộp thoại này xuất hiện gần phía dưới của trang khi ta đã lựa chọn bất

kỳ một phần nào của lệnh TRCV_C

Cấu hình các thông số Connection

Mỗi CPU có một cổng PROFINET được tích hợp hỗ trợ truyền thôngPROFINET tiêu chuẩn Các giao thức Ethernet được hỗ trợ sẽ được miêu tả trong haikiểu kết nối sau đây:

Bảng 1.4 Cách cấu hình thông số kết nối

TCP Giao thức điều khiển truyền tải Truyền tải các khung dữ liệu

ISO trên TCP (RFC 1006)

ISO trên TCP là một cơ cấu kích hoạt các ứng dụng ISO được chuyển đếnmạng TCP/IP Giao thức này có các chức năng sau đây:

• Một giao thức truyền thông hiệu quả được liên kết một cách chặt chẽ tới phần cứng

• Thích hợp với lượng dữ liệu từ cỡ vừa đến cỡ lớn (tối đa 8192 byte)

• Trái ngược với TCP, các thông điệp thể hiện một nhận dạng kết thúc dữ liệu và đượcđịnh hướng theo thông điệp

• Có khả năng định tuyến, có thể được sử dụng trong mạng WAN

Bài toán đặt ra: Hiện nay trên thực tế để truyền thông kết nối PLC người ta

phải dùng các module mở rộng để kết nối truyền thông Nhưng giá thành rất đắt tốn rấtnhiều chi phí Do đó ta cần xây dựng module có thể truyền thông giúp PLC có thể giảiquyết vấn đề điều khiển tín hiệu analog mà có thể tiết kiệm chi phí

1.6 Giao thức điều khiển truyền dữ liệu (TCP)

TCP là một giao thức tiêu chuẩn được miêu tả bởi RFC 793: giao thức điềukhiển truyền dữ liệu (Transmission Control Protocol) Mục đích chủ yếu của TCP là

để cung cấp một dịch vụ kết nối đáng tin cậy và an toàn giữa hai quá trình Giao thứcnày có các chức năng sau đây:

• Một giao thức truyền thông hiệu quả được liên kết một cách chặt chẽ tới phần cứng

• Thích hợp với lượng dữ liệu từ cỡ vừa đến cỡ lớn (tối đa 8192 byte)

• Cung cấp nhiều một cách đáng kể các chức năng dành cho ứng dụng, đáng chú ý là:

Khôi phục lỗi

Điều khiển dòng

Đáng tin cậy

• Một giao thức được định hướng theo kết nối

• Có thể được sử dụng rất linh hoạt với các hệ thống của bên thứ ba có hỗ trợ TCP một cách chuyên biệt

• Có khả năng định tuyến

• Chỉ có các độ dài dữ liệu tĩnh là có thể sử dụng

• Các thông điệp được báo nhận

• Các ứng dụng được định địa chỉ bằng cách sử dụng các số hiệu cổng

• Hầu hết các giao thức ứng dụng người dùng, như là TELNET và FTP, đều sửdụng TCP

• Việc cố gắng lập trình được yêu cầu đối với sự quản lý dữ liệu do bởi giao diện lập trình SEND/RECEIVE

Hình 1.11 Kết nối hai PLC bằng phương thức TCP Bảng 1.5 Khai báo các thông số của khối lệnh truyền thông TCP

General

End point: Partner Tên được gán cho CPU đồng hành (thu nhận)

Interface Tên được gán cho các giao diện

Subnet Tên được gán cho các mạng con

Address Các địa chỉ IP được gán

Connection type Kiểu giao thức Ethernet

Connection ID Số hiệu ID

Connection data Vùng lưu trữ dữ liệu của CPU cục bộ (Local) và CPU đồng hành

(Partner)Active connection

setup

Nút bấm radio để lựa chọn CPU Local hay CPU Partner đóng vai trò làkết nối chủ động

Address details

Port (thập phân) Port của CPU Local theo định dạng thập phân

1.7 Giao thức modbus RTU

Giao thức Modbus RTU là một giao thức mở, sử dụng đường truyền vật lý

RS-232 hoặc RS485 và mô hình dạng Master-Slave Đây là một giao thức được sử dụngrộng rãi trong nhiều lĩnh vực như BMS (Building Management Systems), tự động hóa,công nghiệp, điện lực, Chắc hẳn sẽ có bạn tự hỏi, tại sao giao thức Modbus này lạithông dụng như thế, đi đến đâu, đụng vào thiết bị gì thì hầu như cũng có giao thức

này? Vâng, câu trả lời cho câu hỏi trên chắc chỉ cần gói gọn trong vài từ: Ổn định Đơn giản - dễ dùng.

-Modbus được coi là giao thức truyền thông hoạt động ở tầng "Application",cung cấp khả năng truyền thông Master/Slave giữa các thiết bị được kết nối thông quacác bus hoặc network Trên mô hình OSI, Modbus được đặt ở lớp 7 Modbus được xácđịnh là một giao thức hoạt động theo "hỏi/đáp" và sử dụng các "function codes" tươngứng để hỏi đáp

Cấu trúc bản tin Modbus RTU

Một bản tin Modbus RTU bao gồm: 1 byte địa chỉ - 1 byte mã hàm - n byte dữliệu - 2 byte CRC như hình ở dưới:

Hình 1.12 Cấu trúc bảng tin Modbus RTU

Chức năng và vai trò cụ thể như sau:

• Byte địa chỉ: xác định thiết bị mang địa chỉ được nhận dữ liệu (đối với Slave)

hoặc dữ liệu nhận được từ địa chỉ nào (đối với Master) Địa chỉ này được quyđịnh từ 0 - 254

• Byte mã hàm: được quy định từ Master, xác định yêu cầu dữ liệu từ thiết bị

Slave Ví dụ mã 01: đọc dữ liệu lưu trữ dạng Bit, 03: đọc dữ liệu tức thời dạngByte, 05: ghi dữ liệu 1 bit vào Slave, 15: ghi dữ liệu nhiều bit vào Slave

• Byte dữ liệu: xác định dữ liệu trao đổi giữa Master và Slave.

o Đọc dữ liệu:

 Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu

 Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu - n byte dữliệu đọc được

o Ghi dữ liệu:

 Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu - n byte dữliệu cần ghi

 Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu

• Byte CRC: 2 byte kiểm tra lỗi của hàm truyền cách tính giá trị của Byte CRC

16 Bit

Sự khác nhau giữa Modbus RTU và Modbus TCP

Sự khác nhau cơ bản giữa MODBUS RTU và MODBUS TCP ( còn được gọi làmodbus IP, Modbus Ethernet hay Modbus TCP/IP) là Modbus TCP chạy ở cổng vật lýEthernet và Modbus RTU thì chạy ở cổng vật lý serial nối tiếp ( RS232 hoặc RS485)

MODBUS RTU Memory Map

Bảng 1.6 Các địa chỉ bắt đầu giao thức modbus RTU

Modbus RTU Data Type

Commonname

Starting addressModbus Coils Bits, binary values, flags00001Digital Inputs Binary inputs 10001Analog Inputs Binary inputs 30001Modbus Registers Analog values, variables40001

Sự khác nhau giữa Modbus RTU và Modbus ASCII

Đây là hai chế độ truyền dữ liệu cơ bản trong giao thức Modbus khi sử dụngđường truyền nối tiếp là: ASCII và RTU Mỗi một chuẩn sẽ có một cách mã hóa tinnhắn khác nhau, cho dù đều alf chuẩn Modbus chung Ví dụ, Modbus ASCII cho phépngười đọc có thể đọc trực tiếp tin nhắn trong bản tin Nhưng với Modbus RTU, thì nộidung data đã được mã hóa nhị phân và không thể đọc được trong quá trình giám

sát Một điểm đặc biệt trong giao thức Modbus là trong một đường truyền dẫnModbus, tất cả các giao thức phải là giống nhau, có nghĩa là Modbus ASCII không thểgiao tiếp với modbus RTU và ngược lại.

Các tính chất của Modbus ASCII và Modbus RTU

Bảng 1.7 Tính chất của các giao thức

Error check LRC Longitudinal Redundancy

Check

CRC Cyclic Redundancy

Check

1.8 Giới thiệu biến tần ABB ACS 550

Biến tần ABB là một trong các hãng biến tần được ưa chuộng tại Việt Nam vì hiệu năng sử dụng cũng như độ bền bỉ, tuổi thọ cao

Hình 1.13: Hình ảnh biến tần ABB ACS 550

Thông số cơ bản của ABB ACS550 như sau:

– Dải công suất: 0.75 – 160kW( 3 pha, 208-240V, 380-480V)

– Dải công suất: 200 – 355kW ( 3 pha 380-480V)

– Màn hình LCD có thể tháo rời dễ dàng được Tùy mục đích sử dụng, chúng

ta có thể chọn loại cơ bản hoặc loại hỗ trợ cài đặt

– Điều khiển bằng V/F, Vector, Torque

– Tích hợp sẵn bộ lọc EMC dùng cho môi trường C1, C2

– Có thể đặt trên tường, IP21 như tiêu chuẩn (UL loại 1), tùy chọn IP54 (ULloại 12 trong khung kích thước R1-R6)

– Được tích hợp Braking Unit đến 11kW

– Tích hợp cuộn kháng cho phép giảm thiểu sóng hài

– Có khả năng lập trình theo thời gian thực

– Có khả năng lập trình tuần tự 8 trạng thái

– Chức năng theo dõi lượng điện năng tiêu thụ và số giờ vận hành của động cơ– Màn hình hỗ trợ cài đặt tích hợp sẵn đồng hồ thời gian thực

– Khe cắm chuyển đổi fieldbus, mô- đun mở rộng đầu ra rờ le, bộ lắp đặt mànhình trên cửa tủ, bộ đếm xung

– Bộ hãm

– Công cụ FlashDrop dành cho cấu hình biến tần không cần nguồn trong 2 giây.– Ngành In Ấn – Bao Bì

– Ngành Nhựa – Cao Su

– Bơm – Quạt – Ly Tâm

1.9 Giới thiệu về PLC S7-1200

Hình 1.14 Hình ảnh PLC S7-1200

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập

trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logicthông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện mộtloạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõvào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sựkiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế PLC hoạtđộng theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ởđầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo

Ngôn ngữ lập trình của PLC đa dạng, đặc biệt là hiện nay có rất nhiều dòng PLC như Siemens, Allen-Bradley, GeneralElectric, Omron, Honeywell

Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiểnbên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục "lặp" trongchương trình do "người sử dụng lập ra" chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ

ra tại các thời điểm đã lập trình

Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiểnbằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:

• Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

• Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

• Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.

• Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

• Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, cácmôi Modul mở rộng

• Giá cả cá thể cạnh tranh được

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và cácLogic thời gian.Tuy nhiên,bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính

dễ dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả … Chính điều này đãgây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp Các tập lệnhnhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch

… sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn … Sự phát triển các máy tínhdẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I / O nhiều hơn

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trìnhđiều khiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ đượcxác định bởi một chương trình Chương trình này được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC,PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thayđổi hay mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trìnhbên trong bộ nhớ của PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiệnmột cách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với sử dụng các bộ dâynối hay Relay

 Cấu trúc

Tất cả các PLC đều có thành phần chính là: Một bộ nhớ chương trình RAM bêntrong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM) Một bộ vi xử lý cổng giaotiếp dùng cho việc ghép nối với PLC

Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lập trìnhbằng tay hay bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM đểchứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung Nếu đơn vị lập trình là đơn

vị xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đãđược kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC Đối với các

PLC lớn thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc và kiểm trachương trình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS485, …

 Nguyên lý hoạt động của PLC

CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm trachương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trongchương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới cácthiết bị liên kết để thực thi Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vàochương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ

Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệusong song:

• Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau

• Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu

• Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiểnđồng bộ các hoạt động trong PLC

Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thôngqua Data Bus Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phéptruyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song

Nếu một modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽchuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu

ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Databus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt độngcủa PLC Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thờigian hạn chế

Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O Bêncạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1¸8 MHZ Xung này quyếtđịnh tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệthống

 Bộ nhớ

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp: Làm bộ định thời cho cáckênh trạng thái I/O Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời,đếm, ghi các Relay

Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trítrong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ Địa chỉcủa từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý Bộ vi

xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với một địachỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này được gọi làquá trình đọc

Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này cókhả năng chứa 2.000 - 16.000 dòng lệnh, tùy theo loại vi mạch Trong PLC các bộ nhớnhư RAM, EPROM đều được sử dụng

• RAM (Random Access Memory) có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏnội dung bất kỳ lúc nào Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất

Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng cungcấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAMđược dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình Khuynh hướng hiện nay dùngCMOS-RAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn

• EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ mà người

sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghi nội dung vào được Nội dungcủa EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵn trong máy, đã được nhàsản xuất nạp và chứa hệ điều hành sẵn Nếu người sử dụng không muốn mở rộng

bộ nhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC Trên PG (Programer) có sẵnchỗ ghi và xóa EPROM

• EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) liên kếtvới những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định Nội dung của nó cóthể được xóa và lập trình lại, tuy nhiên số lần lưu sửa nội dung là có giới hạn

• Môi trường ghi dữ liệu thứ tư là đĩa cứng hoặc đĩa mềm, được sử dụng trongmáy lập trình Đĩa cứng hoặc đĩa mềm có dung lượng lớn nên thường được dùng

để lưu những chương trình lớn trong một thời gian dài

Kích thước bộ nhớ:

• Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 -1.000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo

• Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K - 16K, có khả năng chứa từ 2.000-16.000 dòng lệnh

Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM

Các ngõ vào ra I / O

Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các modul (các đầu vào củaPLC), các cơ cấu chấp hành được nối với các modul ra (các đầu ra của PLC) Hầu hếtcác PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12/24VDC hoặc100/240VAC Mỗi đơn vị I/O có duy nhất một địa chỉ, các hiển thị trạng thái của cáckênh I / O được cung cấp bởi các đèn LED trên LC, điều này làm cho việc kiểm trahoạt động nhập xuất trở nên dễ dàng và đơn giản hơn

Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thực hiện việcđóng hay ngắt mạch ở đầu ra

1.10 Kết luận chương 1

Qua chương 1 ta có thể hiểu thêm về các mạng truyền thông trong công nghiệphiện nay, các chuẩn truyền thông được ứng dụng và kết nối với nhau tạo nên mạnglưới như thế nào Đặc biệt là chuẩn truyền thông Modbus RTU hiện nay, các ưu nhượcđiểm so với các hệ thống khác

Ngoài ra ta còn có thể hiểu thêm về các thông số của từng thiết bị như nguồncấp, cách thức hoạt động, các thông số I/O và ứng dụng của biến tần ABB ACS 550,PLC S7 1200 CPU 1214 DC/DC/DC Nhờ đó em có thể áp dụng vào thực tiễn sau này

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG

• Điện áp định mức : 600V

• Dòng điện định mức: 25A / 45A

• Kích thước : 25A – 12P

162mm x 30mm x 17mm

• Dòng cắt (KA ) : Icu = 6kA

• Điện áp định mức:

500V hoặc 900V

• Dòng định mức: 30 đến 32A

3