ĐỀ TÀI: Ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp trong điều khiển quá trình

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Hiện trạng nghiên cứu Trên thế giới, các hãng PLC ngày càng mở rộng việc nghiên cứu và sản xuất các loại PLC mới để phục vụ cho quá trình điều khiển tự động. Tự động hóa thực sự mang lại hiệu quả kinh tế cao trong lao động sản xuất, nó đang dần thay thế hầu hết các công đoạn trong quá trình sản xuất, nhất là các công đoạn cần tính chính xác cao hay trong điều kiện khắc nghiệt… Tại Việt Nam, đang từng bước phát triển thực hiện công nghiệp hóa hiện đại hóa một cách toàn diện về mọi mặt, các công ty, xí nghiệp ngày càng sử dụng nhiều PLC trong quá trình sản xuất. Phát triển khoa học kỹ thuật là chiến lược đi đầu để phát triển kinh tế xã hội, trong đó ngành điều khiển tự động là mũi nhọn đi đầu trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa. Điều khiển tự động chính là quá trình thực hiện công việc một cách tự động bằng các hệ thống điều khiển, con người chỉ gián tiếp giám sát quá trình sản xuất. Tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, tại Khoa Cơ Khí Máy, Bộ môn Cơ Điện Tử, các dòng PLC Siemen và Omron đã được đầu tư và nghiên cứu rất nhiều. Tuy nhiên, vẫn chưa có nhiều đề tài nghiên cứu và xây dựng một hệ thống đa mạng truyền thông với nhau trong việc điều khiển và giám sát quá trình. 1.2 Lý do chọn đề tài Đề tài tốt nghiệp là một sự cần thiết đối với bản thân mỗi sinh viên, khẳng định những kiến thức đã có được trong quá trình học tập. Thông qua đề tài giúp sinh viên giải quyết từng trường hợp cụ thể và bổ sung kiến thức mới phục vụ cho lợi ích sau này. Mục đích của đề tài giúp sinh viên tổng hợp, vận dụng những kiến thức của mình giải quyết những công việc thực tế. Đồng thời qua việc nghiên cứu đề tài, sinh viên có điều kiện cọ sát với thực tế, tích lũy thêm kinh nghiệm giúp ích cho cuộc sống tương lai. Từ những nhu cầu thiết thực trên cộng với hiện trạng nghiên cứu về mạng truyền thông nên nhóm chúng em quyết định chọn tên đề tài là: “Ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp trong điều khiển quá trình”. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu Sau khi thực hiện đề tài này:  Biết cách cấu hình địa chỉ của các thiết bị trong mạng.  Biết cách ghép nối các PLC với nhau thông qua chuẩn RS485, RS422 và cáp ASI.  Biết cách kết nối PLC với máy tính qua đường truyền Ethernet.  Sử dụng được phần mềm WinCC 6.0 trong việc thiết kế các giao diện giám sát.  Điều khiển và giám sát được các hệ thống ứng dụng cơ bản.2 1.4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tài liệu, đây là phương pháp chủ yếu ban đầu khi bắt đầu nghiên cứu về một vấn đề mới. Nhóm đã tham khảo tài liệu của hãng, các thông tin trên sách vở, Internet... Phương pháp thực nghiệm, phương pháp này được nhóm nghiên cứu sử dụng trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Từ việc nghiên cứu tài liệu đến việc thực hiện, nhóm đã tiến hành lập trình, xây dựng giao diện và chạy thử chương trình trên hệ mô hình thực tế. 1.5 Giới hạn đề tài Do thời gian và khả năng có hạn nên nhóm sinh viên chỉ có thể thực hiện trong các vấn đề sau đây:  Tìm hiểu và kết nối được PLC với máy tính bằng cách sử dụng các phần mềm hỗ trợ.  Sử dụng các tập lệnh cơ bản của PLC.  Sử dụng được các đối tượng trong phần mềm thiết kế giao diện giám sát WinCC 6.0.  Thiết kế và thi công cấu trúc mạng với những ứng dụng đơn giản trong việc điều khiển và giám sát.3 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về hệ thống PCS 7 PCS 7 là Giải pháp tự động hóa tích hợp tổng thể cho hệ thống điều khiển quá trình Hình 2.1 Hệ thống PCS 7 SIMATIC PCS 7 là hệ thống điều khiển quá trình của SIEMENS. Nó là kết quả của quá trình phát triển và tích hợp hệ thống từ kinh nghiệm của những hệ thống trước đó như SIMATIC S7, SIMATIC S5. PCS 7 được phát triển dựa trên cơ sở các sản phẩm trong họ SIMATIC. SIMATIC PCS 7 là sự kết hợp các chức năng của hệ thống điều khiển quá trình với dòng sản phẩm SIMATIC, chúng được thiết kế làm việc cùng nhau như một mối quan hệ đồng nhất của hệ thống. Điều đó đưa đến những lợi thế sau :  Khi các thành phần làm việc trong một sự kết hợp, chúng cùng làm việc theo một cách thống nhất, và phù hợp với tính năng của dòng sản phẩm SIMATIC.  SIMATIC PCS 7 cung cấp những hỗ trợ tốt nhất có thể có cho việc cấu hình hệ thống cho các nhiệm vụ tự động hoá quá trình. Những tính năng đặc biệt của hệ thống PCS 7:  Đồng bộ hoá thời gian.  Kiểm tra hoạt động và chuẩn đoán tất cả các thành phần của hệ thống.  Có khả năng dự phòng cho tất cả các thành phần.  Các hệ thống báo cáo, ghi chép, và lưu trữ.4  Quản lý truy cập thông qua việc quản trị người dùng.  SIMATIC PCS 7 có thể sử dụng trong tất cả các phạm vi điều khiển quá trình.  Chỉ cần nhập dữ liệu vào một lần.  Khả năng bị lỗi ít.  Tốn ít công sức và thời gian cho việc lập trình, sửa chữa, chạy thử, và bảo trì hệ thống.  Tính năng mở. PCS 7 sử dụng các công nghệ phổ thông, chuẩn hoá quốc tế nên khả năng phối ghép với các hệ thống , thiết bị khác không bị hạn chế cả về bề rộng và chiều sâu. Mạng truyền thông có thể lựa chọn các giao thức: Industrial Ethernet, Fast Industrial Ethernet, PROFIBUS, ASi, HART. 2.1.1 Cấu trúc hệ thống PCS 7 Cấu trúc module hóa của Simatic PCS7 dựa trên những thành phần phần cứng và phần mềm trong phạm vi của những chương trình SIMATIC. Điểm mấu chốt của hệ thống PCS 7 hiện nay là ứng dụng của mạng truyền thông sử dụng các giao thức công nghiệp, trong đó các thiết bị thực hiện giao thức, xứ lý giao thức có thể được nối trong cùng một cấu trúc mạng hoặc trong cấu trúc mạng kết hợp và thực hiện các giao thức cùng loại hoặc kết hợp. Và tất nhiên sẽ có các thiết bị để thực hiện việc chuyển đổi giao thức đó. Hình sau đây ví dụ về cấu hình SIMATIC PCS 7. Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của Hệ thống PCS 7  Engineering Station (ES): Trạm kỹ thuật  Operator Station (OS): Trạm vận hành  Automation Station (AS): Trạm tự động hóa5 2.1.2 Engineering Station (ES): Trạm thiết kế kỹ thuật SIMATIC PCS 7 cung cấp các trạm kỹ thuật với nhiều công cụ để thiết lập cấu hình, lập trình điều khiển, chỉnh định xuyên suốt hệ thống điều khiển quá trình, hỗ trợ điều hành toàn bộ hệ thống, cả cấp điều khiển và cấp trường. Các trạm kỹ thuật rất linh động, nó thích hợp với tất cả quy mô hệ thống, từ các hệ thống nhỏ cho đến các hệ thống quy mô rất lớn. Trạm này dùng với nhiều mục đích như: định nghĩa các kết nối trong hệ thống, thay đổi cấu hình cũng như phân vùng quản lý hệ thống… Hình 2.3 Trạm thiết kế kỹ thuật Trạm thiết kế kỹ thuật PCS7 hỗ trợ các công cụ kỹ thuật mạnh mẽ. Với những phần mềm cần thiết trên hệ thống ES thuộc gói phần mềm SIMATIC PCS 7, người dùng có thể tạo cấu hình nhà máy một cách toàn diện. Đó là những phần mềm sau đây:  SIMATIC Manager: phần mềm này làm nền tảng và là trung tâm quản lý cho tất cả các thành phần của trạm kỹ thuật, là mối liên kết toàn bộ dự án.  PH (Plant Hierarchy): thiết kế hệ thống phân cấp của nhà máy.  HW Config: cấu hình phần cứng cho CPU, định địa chỉ truyền thông, các thiết bị ngoại vi và bus trường…  CFC (Continuous Function Chart): CFC là gói phần mềm định hướng cho nhà máy, cấu hình các đồ họa của tác vụ tự động hóa.  SFC (Sequential Function Chart): Là gói phần mềm được cấu hình cho hệ thống điều khiển tuần tự.  SCL (Structured Control Language): Đây là ngôn ngữ lập trình giống với Pascal để lập trình cho những tác vụ phức tạp.  IEA (Import Export Assistant): sinh ra các mô hình điều khiển.  WinCC (Windows Control Centre): WinCC được sử dụng cho việc cấu hình cho hệ thống điều khiển và giám sát nhà máy trên nền PCS 7, mô phỏng giao diện toàn bộ quá trình vận hành của hệ thống một cách trực quan.6 2.1.3 Automation Station (AS): Trạm tự động hóa Một trạm tự động hóa có thể bao gồm: Nguồn cấp (PS), CPU, bộ xử lý truyền thông (CP) và các module ngõ vàora. CPU xử lý chương trình và hệ thống vận hành. Chúng truyền thông với máy chủ ES, OS thông qua hệ thống bus. AS cũng có một cổng giao tiếp để giao tiếp với các thiết bị trường thông qua PROFIBUS DP. Một ví dụ điển hình của hệ thống tự động hóa với một liên kết IO phân tán được hiển thị trong hình 2.4. Hình 2.4 Trạm tự động hóa 2.1.4 Operator Station (ES): Trạm vận hành Các trạm vận hành của hệ SIMATIC PCS 7 xây dựng chủ yếu bằng WinCC. Các OS có thể nâng cấp theo các nhiệm vụ mà nó phải thực hiện. Bởi vì, các PCS 7 OS có rất nhiều chủng loại, và rất nhiều cấp chất lượng trên các nền tảng phần cứng khác nhau. Các gói phần mềm cũng có các sự lựa chọn khác nhau, ngoài những chức năng cơ bản như thiết lập giao diện đồ hoạ, thư viện đồ hoạ, lập báo cáo, thu thập và lưu trữ dữ liệu... còn có những gói phần mềm lựa chọn cung cấp cho việc mở rộng hệ thống cả về quy mô, chất lượng và các chức năng khác như quản trị cơ sở dữ liệu, phân cấp quyền truy cập... Các trạm vận hành được phân thành hai loại :  Các trạm vận hành riêng rẽ (Single User): chỉ có một kênh nối với bus hệ thống, và trạm vận hành này hoạt động độc lập. Có thể có một vài trạm vận hành riêng rẽ nối với bus hệ thống trong cùng lúc, tuy nhiên các trạm đó độc lập với nhau. Hình 2.5 Trạm OS Single User7  Hệ thống nhiều người sử dụng (Multi User): Một hệ thống nhiều người sử dụng bao gồm một số trạm vận hành khách (OS Client) được cung cấp dữ liệu từ trạm vận hành chủ (OS Server), thông qua bus đầu cuối (terminal bus). Terminal bus là một Ethernet bus, nó độc lập với bus hệ thống. Hoạt động của quá trình được mô phỏng tại OS Client, còn OS Server thực hiện việc giao tiếp cấp điều khiển dưới, quản lý dữ liệu… Hình 2.6 Trạm OS Multi User 2.1.5 Thiết bị trường Lợi thế lớn của hệ thống PCS 7 là sự tích hợp liền mạch của các thiết bị trường và các dụng cụ khác nhau vào trong hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng kỹ thuật bus trường. Bản thân các thiết bị của Siemens và các thiết bị khác – các bộ truyền động, thiết bị truyền, cảm biến, dụng cụ đo được hỗ trợ các chuẩn tương thích với giao thức PROFIBUS. Hình 2.6 chỉ rõ một cách tổng quan về các cấp thiết bị trường của hệ thống PCS7. Hình 2.7 Các cấp thiết bị trong hệ thống PCS 78 2.2 Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp 2.2.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp. Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp trên điều hành xí nghiệp quản lý công ty. Trong lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự động hóa, việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp (đặc biệt là bus trường) để thay thế cách 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.  Giám đáng kể giá thành dây nối và công lắp đặt hệ thống.  Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống.  Tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp cao.  Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị.  Nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) nhờ các giao diện chuẩn.  Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống. Ví dụ, các ứng dụng điều khiển phân tán, điều khiển giám sát hoặc chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet.  Các hệ thống bus trường cũng đã dần thay thế các mạch dòng tương tự 4 – 20mA.  Ưu thế của giải pháp dùng mạng công nghiệp không những nằm ở phương diện kỹ thuật mà còn ở khía cạnh hiệu quả kinh tế. Chính vì vậy, ứng dụng của nó rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như điều khiển quá trình, tự động hóa xí nghiệp, điều khiển giao thông…9 2.2.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho công ty, xí nghiệp sản xuất. với loại mô hình này, các chức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau: Hình 2.8 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Tương ứng với 5 cấp chức năng của mô hình công ty, xí nghiệp là 4 cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống, thuật ngữ “bus” thường được dùng thay cho “mạng” với lí do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus. a. Bus trường, bus thiết bị Bus trường (fieldbus) là một khái niệm chung được dùng trong các nghành công nghiệp để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường. Các thiết bị có khả năng nối mạng là các bộ vàora phân tán, các thiết bị cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành có tích hợp khả năng xử lý truyền thông. Bus thiết bị và bus trường có chức năng tương đương, nhưng do ứng dụng trong những ngành công nghiệp khác nhau nên một số tính năng cũng khác nhau. Tuy nhiên, sự khác nhau này ngày càng không rõ rệt. Trong thực tế, người ta dùng chung một khái niệm là bus trường.10 Nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành. Vì vậy, yêu cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi từ 0,1ms tới vài ms. Trong khi đó, yêu cầu về lượng thông tin trong một bức điện thường chỉ cần ở phạm vi Mbits hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thông tin về các biến quá trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hoàn, bên cạnh các thông tin cảnh báo có tính chất bất thường. Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS, ControlNet, InternusS, CAN, WorldFIP, PNET, Modbus và gần đây có Foundation Fieldbus, DeviceNet, ASi, EIB và Bitbus là một vài hệ thống bus cảm biếnchấp hành tiêu biểu. b. Bus hệ thống, bus quá trình Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống (System Bus) hay bus quá trình (Process Bus). Qua bus hệ thống mà các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát cũng như chấp nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phía trên. Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong khoảng một vài trăm ms, trong khi lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường. Tốc độ truyền thông tiêu biểu của bus hệ thống nằm trong phạm vi từ vài trăm Kbits đến vài Mbits. Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính kiểu bus hệ thống thông dụng nhất là Ethernet cũng như Industrial Ethernet. Ngoài ra còn sử dụng PROFIBUSFMS, Modbus Plus và Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet. c. Mạng xí nghiệp Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường, có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành với cấp điều khiển giám sát. Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thông tin theo chiều ngược lại là các thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành. Khác với các hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực. Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra không định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới hàng Mbytes. Hai loại mạng được dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và TokenRing, trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCPIP và IPXSPX.11 d. Mạng công ty Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống mạng truyền thông. Đặc trưng của mạng công ty gần với một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật. Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với khách hàng như thư viện điện tử ELibrary, thư điện tử Email, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp các dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử ECommerce… Mạng công ty đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an toàn, tin cậy đặc biệt cao. Một số công nghệ tiên tiến được áp dụng ở cấp mạng này trong hiện tại và tương lai như là Fast Ethernet, FDDI, ATM. 2.2.3 Các khái niệm cơ bản về truyền thông công nghiệp a. Giao tiếp và truyền thông Giao tiếp hay truyền thông là một quá trình trao đổi thông tin giữa hai chủ thể với nhau, được gọi là các đối tác giao tiếp, theo một phương pháp được quy định trước. Đối tác này có thể điều khiển đối tác kia, hoặc quan sát trạng thái của đối tác. Các đối tác giao tiếp có thể là người hoặc hệ thống kỹ thuật – đối tác là các thiết bị phần cứng (đối tác vật lý) hoặc các chương trình phần mềm (đối tác logic). b. Mã hóa và giải mã Nguyên tắc cơ bản của truyền thông được minh họa trong hình 2.14 Hình 2.9 Nguyên tắc cơ bản của truyền thông Thông tin cần trao đổi giữa các đối tác được mã hóa trước khi được một hệ thống truyền dẫn tín hiệu chuyển tới phía bên kia. Trong thuật ngữ truyền thông, mã hóa chỉ quá trình biến đổi nguồn thông tin (dữ liệu) cần trao đổi sang một chuỗi tín hiệu thích hợp để truyền dẫn. Quá trình ngược lại với mã hóa, tức là chuyển đổi các tín hiệu nhận được thành dãy bit tương ứng và sau đó xử lý, loại bỏ các thông tin bổ sung để tái tạo thông tin nguồn gọi là quá trình giải mã.12 c. Tốc độ truyền và tốc độ bit Tốc độ truyền hay tốc độ bit được tính bằng số bit dữ liệu được truyền đi trong một giây, tính bằng bits hoặc bps (bit per second). d. Thời gian bit và chu kỳ bit Trong việc phân tích, đánh giá tính năng thời gian của một hệ thống truyền thông thì thời gian bit là một giá trị hay được dùng. Thời gian bit hay chu kỳ bit được định nghĩa là thời gian trung bình cần thiết để chuyển một bit, hay chính bằng giá trị nghịch đảo của tốc độ truyền tải. e. Tính năng thời gian thực Tính năng thời gian thực là một trong những đặc trưng quan trọng nhất đối với các hệ thống tự động hóa nói chung và các hệ thống bus trường nói riêng. Một hệ thống truyền thông có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền tải thông tin một cách tin cậy và kịp thời với yêu cầu của các đối tác truyền thông. Tính năng thời gian thực của một hệ thống điều khiển phân tán phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống bus trường được dùng. Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống bus phải có những đặc điểm sau:  Độ nhanh nhạy: tốc độ truyền thông phải đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể.  Tính tiền định: dự đoán trước được về thời gian cần có việc vận chuyển dữ liệu một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng cách xác định.  Tính bền vững: có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gây hại thêm cho toàn bộ hệ thống. f. Chế độ truyền tải Chế độ truyền tải là phương thức các bit dữ liệu được chuyển giữa các đối tác truyền thông, bao gồm: Truyền bit song song Phương pháp truyền bit song song 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 tải phụ thuộc vào số kênh dẫn hay độ rộng của một bus song song Hình 2.10 Truyền bit song song13 Vì nhiều bit được truyền đi đồng thời, vấn đề đồng bộ hóa tại nơi phát và nhận tín hiệu phải được giải quyết. Điều này gây trở ngại lớn khi khoảng cách giữa các đối tác truyền thông tăng lên. Ngoài ra, giá thành cho các bus song song cũng là một yếu tố dẫn đến phạm vi ứng dụng cho các phương pháp truyền này chỉ hạn chế ở khoảng cách truyền nhỏ, có yêu cầu rất cao về thời gian và tốc độ truyền. Truyền bit nối tiếp Với phương pháp này, từng bit được chuyển đi một cách tuần tự qua một đường truyền duy nhất. Tuy tốc độ bit bị hạn chế, nhưng cách thực hiện lại đơn giản, độ tin cậy của dữ liệu rất cao. Tất cả các mạng truyền thông công nghiệp đều sử dụng phương pháp truyền này. Hình 2.11 Truyền bit nối tiếp Truyền đồng bộ Trong chế độ truyền đồng bộ, các đối tác truyền thông làm việc theo cùng một nhịp, tức là cùng tần số và độ lệch pha cố định. Trong truyền đồng bô thường sử dụng phương pháp mã hóa bit thích hợp để bên nhận có thể tái tạo nhịp đồng bộ từ chính tín hiệu mang dữ liệu. Truyền không đồng bộ Trong chế độ truyền không đồng bộ, bên gửi và bên nhận không làm việc theo một nhịp chung. Dữ liệu trao đổi thường được chia thành từng nhóm 7 hoặc 8bit (gọi là khung truyền). Các khung truyền được chuyển đi vào những thời điểm không đồng đều. Vì vậy cần thêm hai bit để đánh dấu khởi đầu và kết thúc cho mỗi khung truyền. Truyền một chiều Hình 2.12 Truyền một chiều Trong chế độ truyền một chiều, thông tin chỉ được chuyển đi theo một chiều, một trạm chỉ có thể đóng vai trò hoặc bên phát, hoặc bên thu trong suốt quá trình giao tiếp. Truyền hai chiều gián đoạn Hình 2.13 Truyền hai chiều gián đoạn14 Chế độ truyền hai chiều gián đoạn cho phép mỗi trạm có thể tham gia gửi hoặc nhận nhưng không cùng một lúc. Nhờ vậy, thông tin được trao đổi theo cả hai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật lý. Chế độ truyền hai chiều gián đoạn thích hợp với kiểu liên kết điểm – nhiều điểm cũng như kiểu nhiều điểm, hay nói cách khác thích hợp với cấu trúc bus.  Truyền hai chiều toàn phần Hình 2.14 Truyền hai chiều toàn phần Với chế độ truyền hai chiều toàn phần, mỗi trạm đều có thể gửi và nhận thông tin cùng một lúc. Thực chất, chế độ truyền này chỉ khác với chế độ hai chiều gián đoạn ở chỗ phải sử dụng hai đường truyền riêng biệt cho thu và phát, tức là khác ở cấu hình hệ thống truyền thông. Chế độ này chỉ thích hợp với kiểu liên kết điểm – điểm, hay nói cách khác phù hợp với cấu trúc mạch vòng và cấu trúc hình sao. 2.2.4 Cơ sở thực hiện mạng truyền thông công nghiệp a. Mô hình tham chiếu OSI (Open Systems Interconnection) Năm 1983, tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO (International Standards Organization) đã đưa ra 1 kiến trúc giao thức với chuẩn ISO 7498 được gọi là mô hình tham chiếu OSI, nhằm hỗ trợ việc xây dựng các hệ thống truyền thông có khả năng giao tiếp với nhau. Chuẩn này không đưa ra quy định nào về cấu trúc một bản tin, và cũng không định nghĩa một chuẩn dịch vụ cụ thể nào. OSI chỉ là một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó bao gồm việc so sánh đối chiếu các giao thức và dịch vụ truyền thông, cũng như làm cơ sở cho phát triển hệ thống. Hình 2.15 Mô hình OSI15 Mô hình OSI gồm có 7 lớp: Lớp ứng dụng, lớp biểu diễn dữ liệu, lớp kiểm soát nối, lớp vận chuyển, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý. Sau đây là mô tả các lớp trong mô hình OSI. Lớp vật lý (Physical Layer) Là lớp thấp nhất trong mô hình OSI, đảm nhiệm toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệu bằng phương tiện vật lý. Nó xác định các giao diện về mặt điện học và cơ học giữa một trạm thiết bị và môi trường truyền thông cụ thể như sau:  Các chi tiết về cấu trúc mạng bus, cây, hình sao...).  Chuẩn truyền dẫn RSm485, IEC 1158m2, truyền cáp quang...).  Phương pháp mã hóa bit (NRZ, Manchester, FSK...).  Chế độ truyền tải.  Tốc độ truyền dữ liệu.  Giao diện cơ học (phích cắm, giắc cắm...) Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer) Lớp này có nhiệm vụ truyền các khung dữ liệu giữa các đối tác truyền thông qua tầng vật lý, đảm bảo tin cậy, gửi các khối dữ liệu với các cơ chế đồng bộ hóa, kiểm soát lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu. Cụ thể lớp liên kết dữ liệu thực hiện các chức năng sau:  Thành lập và kết thúc liên kết logic giữa hai đối tác truyền thông.  Đóng gói dữ liệu thô từ tầng vật lý thành các khung định dạng dữ liệu.  Điều khiển các khung định dạng dữ liệu: phân tích các tham số của khung định dạng dữ liệu, phát hiện lỗi và gửi lại dữ liệu nếu có lỗi.  Quản lý quyền truy nhập cáp, xác định khi nào thì đối tượng truyền thông có quyền truy nhập cáp. Lớp mạng (Network Layer) Lớp mạng là một lớp phức tạp, cung cấp các dịch vụ chọn đường đi và kết nối giữa hai hệ thống, điều khiển và phân phối dòng dữ liệu truyền trên mạng để trách tắc nghẽn. Lớp mạng có trách nhiệm địa chỉ hóa, dịch từ địa chỉ logic sang địa chỉ vật lý, định tuyến dữ liệu từ nơi gửi tới nơi nhận. Lớp vận chuyển (Transport Layer) Chức năng của lớp vận chuyển là cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy, bao gồm cả khắc phục lỗi và điều khiển lưu thông. Mục đích chính là đảm bảo dữ liệu được truyền đi không bị mất và trùng. Lớp kiểm soát nối (Session Layer) Lớp kiểm soát nối thành lập một kết nối giữa các tiến trình đang chạy trên các máy tính khác nhau. Chức năng của lớp này là kiểm soát mối liên kết truyền16 thông giữa các chương trình ứng dụng, bao gồm việc tạo lập, quản lí và kết thúc các đường nối giữa các ứng dụng của đối tác. Lớp biểu diễn dữ liệu (Presentation Layer) Chức năng của lớp này là chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác nhau về cú pháp thành dạng chuẩn, để các đối tác truyền thông khác nhau có thể giao tiếp với nhau. Lớp ứng dụng (Application Layer) Lớp ứng dụng trong mô hình OSI là tầng trên cùng trong toàn bộ giao thức, có chức năng cung cấp các dịch vụ cao cấp (trên cơ sở các giao thức cao cấp) cho người sử dụng và các chương trình ứng dụng. Các dịch vụ ở lớp này chủ yếu được thực hiện bằng phần mềm. 2.2.5 Cấu trúc mạng (Topology) Cấu trúc mạng là tổng hợp của các mối liên kết. Cấu trúc mạng cũng hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng, nhưng cũng hiểu là cách sắp xếp logic của các nút mạng. Các loại cấu trúc mạng: Cấu trúc bus: Trong cấu trúc đơn giản này, tất cả các thành viên của mạng đều được nối với một đường dẫn chung. Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm. Vì vậy, tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt. Nguyên tắc truyền thông được thực hiện như sau: tại một thời điểm nhất định, chỉ có một thành viên trong mạng được gửi tín hiệu, các thành viên khác chỉ có quyền nhận. Với nguyên tắc này sẽ tránh được xung đột tín hiệu trên cùng một đường truyền. Nhược điểm của cấu trúc bus:  Một tín hiệu gửi đi có thể tới tất cả các trạm và theo một trình tự không thể kiểm soát được. Vì vậy, phải thực hiện phương pháp gán địa chỉ (logic) theo kiểu thủ công cho từng trạm.  Tất cả các trạm đều có khả năng phát và phải luôn nghe đường dẫn để phát hiện ra một thông tin có phải gửi cho mình hay không, nên phải được thiết kế sao cho đủ tải với số trạm tối đa. Đây là lý do phải hạn chế số trạm trong một đoạn mạng. Khi cần mở rộng mạng, phải dùng thêm các bộ lặp.  Chiều dài dây dẫn thường tương đối dài, vì vậy đối với cấu trúc đường thẳng xảy ra hiện tượng phản xạ tại mỗi đầu dây làm giảm chất lượng tín hiệu. Để khắc phục vấn đề này, người ta chặn hai đầu dây bằng hai trở đầu cuối.  Trong trường hợp dây bị đứt, hoặc do ngắn mạch trong phần kết nối bus của một trạm bị hỏng đều dẫn đến ngừng hoạt động của cả hệ thống.17  Cấu trúc đường thẳng và liên kết đa điểm gây khó khăn trong việc áp dụng công nghệ truyền tín hiệu mới như sử dụng cáp quang. Có thể phân biệt 3 kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: daisychain, trunklinedropline và mạch vòng không tích cực. Hai cấu hình đầu được xếp vào kiểu cấu trúc đường thẳng, bởi hai đầu đường truyền không khép kín. Hình 2.16 Cấu trúc bus Cấu trúc mạch vòng tích cực Cấu trúc mạch vòng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín. Mỗi thành viên đều tham gia tích cực vào kiểm soát dòng tín hiệu. Hinh 2.17 Cấu trúc mạch vòng Ưu điểm cơ bản của mạng có cấu trúc kiểu này là mỗi một nút đồng thời có thể là một bộ khuếch đại (Repeater), có nhiệm vụ nhận tín hiệu và chuyển đến trạm kế tiếp trên vòng. Do vậy, khi thiết kế mạng theo kiểu cấu trúc vòng có thể thực hiện với khoảng cách rất lớn.18 Cấu trúc hình sao: Là một cấu trúc mà có một trạm trung tâm quan trọng hơn tất cả các nút khác, nút này điểu khiển sự truyền thông của toàn mạng, được gọi là nút chủ. Nếu nút này bị hỏng thì sự truyền thông trong mạng cũng không thể tiếp tục. Nút chủ là thiết bị trung tâm, có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển chúng đến trạm đích. Hình 2.18 Cấu trúc hình sao Cấu trúc cây: Cấu trúc cây là sự liên kết các cấu trúc đường thẳng có độ dài khác nhau với nhau, do vậy mạng cần có thêm các phần tử để nối các cấu trúc đường lại với nhau. Nó có thể đơn thuần là một bộ lặp (Repeater) nếu như các đường dẫn cùng một loại. Còn nếu đường dẫn không cùng loại thì có thể phải dùng đến bộ chuyển đổi (Router, Bridge, Gateway). Hình 2.19 Cấu trúc cây 2.2.6 Truy nhập bus Mạng làm việc theo nguyên tắc: ở mỗi thời điểm, trên một đường dây chỉ duy nhất một tín hiệu được truyền đi. Chính vì vậy, mạng phải được điều khiển sao cho tại mỗi thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được gửi thông tin đi. Còn các thành viên khác trong mạng muốn nhận thông tin thì không hạn chế. Đường dẫn được điều khiển theo phương pháp truy nhập được chọn. Có thể phân loại cách truy nhập bus thành các phương pháp tiền định và các phương pháp ngẫu nhiên.19 Hình 2.20 Các phương pháp truy nhập bus a. MasterSlave Theo phương pháp MasterSlave (chủtớ), một trạm chủ có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ. Các trạm tớ đóng vai trò bị động, chỉ có quyền truy nhập bus và gửi tín hiệu đi khi có yêu cầu. Trạm chủ có thể dùng phương pháp hỏi tuần tự theo chu kỳ để kiểm soát giao tiếp của cả hệ thống. Nhờ vậy, các trạm tớ có thể gửi các dữ liệu quá trình tới trạm chủ, cũng như nhận thông tin điều khiển từ trạm chủ. b. TDMA Phương pháp đa truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), mỗi trạm được phân chia một thời gian truy nhập bus nhất định. Các trạm có thể lần lượt thay nhau gửi thông tin trong khoảng thời gian cho phép theo một trình tự quy định sẵn. Việc phân chia này được thực hiện trước khi hệ thống đi vào hoạt động. Khác với phương pháp chủtớ, ở đây có thể có hoặc không có trạm chủ. Mỗi trạm đều có khả năng đảm nhiệm vai trò chủ động trong giao tiếp trực tiếp với trạm khác. c. Token Passing Token là một bức điện ngắn không mang dữ liệu, có cấu trúc đặc biệt để phân biệt với các bức điện mang thông tin nguồn, được dùng tương tự như một chìa khóa. Một trạm được quyền truy nhập bus và gửi thông tin đi chỉ trong thời gian nó được giữ Token. Sau khi không có nhu cầu gửi thông tin, trạm đang có Token sẽ phải gửi tiếp tới một trạm khác theo một trình tự nhất định. Nếu trình tự này đúng với trình tự sắp xếp vật lý trong một mạch vòng, ta dùng khái niệm Token Ring. Còn nếu trình tự quy định chỉ có tính chất logic như ở cấu trúc bus (ví dụ theo thứ tự địa chỉ), ta nói tới Token Bus. d. CSMACD và CSMACA CSMACD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) Phương pháp truy nhập này cho phép các thành viên được gửi điện tín ở bất cứ thời điểm nào, miễn là tại thời điểm đó đường dẫn không bị chiếm. Để một trạm thực20 hiện gửi điện tín, trạm đó thực hiện nghe ngóng đường truyền. Nếu đường truyền rỗi, trạm đó có thể gửi điện tín, rồi thực hiện nghe ngóng khả năng xảy ra xung đột. Xung đột trên mạng xảy ra khi tại cùng một thời điểm mà đường rỗi có hai thành viên cùng gửi điện tín. Trong trường hợp này, cả hai thành viên đều nghe được xung đột trên đường dẫn, hai thành viên đều phải hủy bỏ bức điện của mình và thử gửi lại điện tín sau một thời gian chờ ngẫu nhiên. CSMACA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) Tương tự CSMACD, mỗi trạm đều phải nghe đường dẫn trước khi gửi cũng như sau khi gửi thông tin. Tuy nhiên, một phương pháp mã hóa bit thích hợp được sử dụng ở đây để trong trường hợp xảy ra xung đột, một tín hiệu sẽ lấn át tín hiệu kia. Ví dụ tương ứng với bit 0 là mức điện áp cao sẽ lấn át mức điện áp thấp của bit 1. 2.2.7 Mã hóa bit b. Mã NRZ NRZ (Non Return to Zero) là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống bus trường. Bit 0 và 1 được mã hóa với hai mức biên độ tín hiệu khác nhau, mức tín hiệu này không thay đổi trong suốt chu kỳ bit. Cái tên NRZ được sử dụng bởi mức tín hiệu không quay trở về sau mỗi nhịp. Một trong những ưu điểm của phương pháp NRZ là tín hiệu có tần số thường thấp hơn nhiều so với tần số nhịp bus. Phương pháp này không thích hợp cho việc đồng bộ hóa, bởi một dãy bit 0 và 1 liên tục không làm thay đổi mức tín hiệu. Hình 2.21 Mã hóa kiểu NRZ c. Mã Manchester Mã Manchester và các dạng dẫn suất của nó được sử dụng rất rộng rãi trong truyền thông công nghiệp. Tham số thông tin được thể hiện qua các sườn xung. Bit 1 được mã hóa bằng sườn lên, bit 0 được mã hóa bằng sườn xuống của xung ở giữa chu

CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Hiện trạng nghiên cứu Trên giới, hãng PLC ngày mở rộng việc nghiên cứu sản xuất loại PLC để phục vụ cho trình điều khiển tự động Tự động hóa thực mang lại hiệu kinh tế cao lao động sản xuất, dần thay hầu hết cơng đoạn q trình sản xuất, cơng đoạn cần tính xác cao hay điều kiện khắc nghiệt… Tại Việt Nam, bước phát triển thực cơng nghiệp hóa - đại hóa cách tồn diện mặt, cơng ty, xí nghiệp ngày sử dụng nhiều PLC trình sản xuất Phát triển khoa học kỹ thuật chiến lược đầu để phát triển kinh tế xã hội, ngành điều khiển tự động mũi nhọn đầu trình cơng nghiệp hóa - đại hóa Điều khiển tự động q trình thực cơng việc cách tự động hệ thống điều khiển, người gián tiếp giám sát trình sản xuất Tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, Khoa Cơ Khí Máy, Bộ mơn Cơ Điện Tử, dòng PLC Siemen Omron đầu tư nghiên cứu nhiều Tuy nhiên, chưa có nhiều đề tài nghiên cứu xây dựng hệ thống đa mạng truyền thông với việc điều khiển giám sát trình 1.2 Lý chọn đề tài Đề tài tốt nghiệp cần thiết thân sinh viên, khẳng định kiến thức có q trình học tập Thông qua đề tài giúp sinh viên giải trường hợp cụ thể bổ sung kiến thức phục vụ cho lợi ích sau Mục đích đề tài giúp sinh viên tổng hợp, vận dụng kiến thức giải cơng việc thực tế Đồng thời qua việc nghiên cứu đề tài, sinh viên có điều kiện cọ sát với thực tế, tích lũy thêm kinh nghiệm giúp ích cho sống tương lai Từ nhu cầu thiết thực cộng với trạng nghiên cứu mạng truyền thơng nên nhóm chúng em định chọn tên đề tài là: “Ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp điều khiển trình” 1.3 Mục tiêu nghiên cứu Sau thực đề tài này:  Biết cách cấu hình địa thiết bị mạng  Biết cách ghép nối PLC với thông qua chuẩn RS485, RS422 cáp AS-I  Biết cách kết nối PLC với máy tính qua đường truyền Ethernet  Sử dụng phần mềm WinCC 6.0 việc thiết kế giao diện giám sát  Điều khiển giám sát hệ thống ứng dụng -1- 1.4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tài liệu, phương pháp chủ yếu ban đầu bắt đầu nghiên cứu vấn đề Nhóm tham khảo tài liệu hãng, thông tin sách vở, Internet Phương pháp thực nghiệm, phương pháp nhóm nghiên cứu sử dụng suốt q trình thực đề tài Từ việc nghiên cứu tài liệu đến việc thực hiện, nhóm tiến hành lập trình, xây dựng giao diện chạy thử chương trình hệ mơ hình thực tế 1.5 Giới hạn đề tài Do thời gian khả có hạn nên nhóm sinh viên thực vấn đề sau đây:  Tìm hiểu kết nối PLC với máy tính cách sử dụng phần mềm hỗ trợ  Sử dụng tập lệnh PLC  Sử dụng đối tượng phần mềm thiết kế giao diện giám sát WinCC 6.0  Thiết kế thi công cấu trúc mạng với ứng dụng đơn giản việc điều khiển giám sát -2- CHƯƠNG TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan hệ thống PCS PCS Giải pháp tự động hóa tích hợp tổng thể cho hệ thống điều khiển trình Hình 2.1 Hệ thống PCS SIMATIC PCS hệ thống điều khiển trình SIEMENS Nó kết q trình phát triển tích hợp hệ thống từ kinh nghiệm hệ thống trước SIMATIC S7, SIMATIC S5 PCS phát triển dựa sở sản phẩm họ SIMATIC SIMATIC PCS kết hợp chức hệ thống điều khiển q trình với dịng sản phẩm SIMATIC, chúng thiết kế làm việc mối quan hệ đồng hệ thống Điều đưa đến lợi sau :  Khi thành phần làm việc kết hợp, chúng làm việc theo cách thống nhất, phù hợp với tính dịng sản phẩm SIMATIC  SIMATIC PCS cung cấp hỗ trợ tốt có cho việc cấu hình hệ thống cho nhiệm vụ tự động hố q trình Những tính đặc biệt hệ thống PCS 7:     Đồng hoá thời gian Kiểm tra hoạt động chuẩn đoán tất thành phần hệ thống Có khả dự phịng cho tất thành phần Các hệ thống báo cáo, ghi chép, lưu trữ -3-      Quản lý truy cập thông qua việc quản trị người dùng SIMATIC PCS sử dụng tất phạm vi điều khiển trình Chỉ cần nhập liệu vào lần Khả bị lỗi Tốn cơng sức thời gian cho việc lập trình, sửa chữa, chạy thử, bảo trì hệ thống  Tính mở PCS sử dụng công nghệ phổ thơng, chuẩn hố quốc tế nên khả phối ghép với hệ thống , thiết bị khác không bị hạn chế bề rộng chiều sâu Mạng truyền thơng lựa chọn giao thức: Industrial Ethernet, Fast Industrial Ethernet, PROFIBUS, AS-i, HART 2.1.1 Cấu trúc hệ thống PCS Cấu trúc module hóa Simatic PCS7 dựa thành phần phần cứng phần mềm phạm vi chương trình SIMATIC Điểm mấu chốt hệ thống PCS ứng dụng mạng truyền thông sử dụng giao thức cơng nghiệp, thiết bị thực giao thức, xứ lý giao thức nối cấu trúc mạng cấu trúc mạng kết hợp thực giao thức loại kết hợp Và tất nhiên có thiết bị để thực việc chuyển đổi giao thức Hình sau ví dụ cấu hình SIMATIC PCS Hình 2.2 Cấu trúc Hệ thống PCS  Engineering Station (ES): Trạm kỹ thuật  Operator Station (OS): Trạm vận hành  Automation Station (AS): Trạm tự động hóa -4- 2.1.2 Engineering Station (ES): Trạm thiết kế kỹ thuật SIMATIC PCS cung cấp trạm kỹ thuật với nhiều công cụ để thiết lập cấu hình, lập trình điều khiển, chỉnh định xuyên suốt hệ thống điều khiển trình, hỗ trợ điều hành toàn hệ thống, cấp điều khiển cấp trường Các trạm kỹ thuật linh động, thích hợp với tất quy mơ hệ thống, từ hệ thống nhỏ hệ thống quy mơ lớn Trạm dùng với nhiều mục đích như: định nghĩa kết nối hệ thống, thay đổi cấu phân vùng quản lý hệ thống… Hình 2.3 Trạm thiết kế kỹ thuật Trạm thiết kế kỹ thuật PCS7 hỗ trợ công cụ kỹ thuật mạnh mẽ Với phần mềm cần thiết hệ thống ES thuộc gói phần mềm SIMATIC PCS 7, người dùng tạo cấu hình nhà máy cách tồn diện Đó phần mềm sau đây:  SIMATIC Manager: phần mềm làm tảng trung tâm quản lý cho tất thành phần trạm kỹ thuật, mối liên kết toàn dự án  PH (Plant Hierarchy): thiết kế hệ thống phân cấp nhà máy  HW Config: cấu hình phần cứng cho CPU, định địa truyền thơng, thiết bị ngoại vi bus trường…  CFC (Continuous Function Chart): CFC gói phần mềm định hướng cho nhà máy, cấu hình đồ họa tác vụ tự động hóa  SFC (Sequential Function Chart): Là gói phần mềm cấu hình cho hệ thống điều khiển  SCL (Structured Control Language): Đây ngơn ngữ lập trình giống với Pascal để lập trình cho tác vụ phức tạp  IEA (Import Export Assistant): sinh mơ hình điều khiển  WinCC (Windows Control Centre): WinCC sử dụng cho việc cấu hình cho hệ thống điều khiển giám sát nhà máy PCS 7, mơ giao diện tồn trình vận hành hệ thống cách trực quan -5- 2.1.3 Automation Station (AS): Trạm tự động hóa Một trạm tự động hóa bao gồm: Nguồn cấp (PS), CPU, xử lý truyền thông (CP) module ngõ vào/ra CPU xử lý chương trình hệ thống vận hành Chúng truyền thông với máy chủ ES, OS thông qua hệ thống bus AS có cổng giao tiếp để giao tiếp với thiết bị trường thơng qua PROFIBUS DP Một ví dụ điển hình hệ thống tự động hóa với liên kết I/O phân tán hiển thị hình 2.4 Hình 2.4 Trạm tự động hóa 2.1.4 Operator Station (ES): Trạm vận hành Các trạm vận hành hệ SIMATIC PCS xây dựng chủ yếu WinCC Các OS nâng cấp theo nhiệm vụ mà phải thực Bởi vì, PCS OS có nhiều chủng loại, nhiều cấp chất lượng tảng phần cứng khác Các gói phần mềm có lựa chọn khác nhau, chức thiết lập giao diện đồ hoạ, thư viện đồ hoạ, lập báo cáo, thu thập lưu trữ liệu có gói phần mềm lựa chọn cung cấp cho việc mở rộng hệ thống quy mô, chất lượng chức khác quản trị sở liệu, phân cấp quyền truy cập Các trạm vận hành phân thành hai loại :  Các trạm vận hành riêng rẽ (Single User): có kênh nối với bus hệ thống, trạm vận hành hoạt động độc lập Có thể có vài trạm vận hành riêng rẽ nối với bus hệ thống lúc, nhiên trạm độc lập với Hình 2.5 Trạm OS Single User -6-  Hệ thống nhiều người sử dụng (Multi User): Một hệ thống nhiều người sử dụng bao gồm số trạm vận hành khách (OS Client) cung cấp liệu từ trạm vận hành chủ (OS Server), thông qua bus đầu cuối (terminal bus) Terminal bus Ethernet bus, độc lập với bus hệ thống Hoạt động q trình mơ OS Client, cịn OS Server thực việc giao tiếp cấp điều khiển dưới, quản lý liệu… Hình 2.6 Trạm OS Multi User 2.1.5 Thiết bị trường Lợi lớn hệ thống PCS tích hợp liền mạch thiết bị trường dụng cụ khác vào hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng kỹ thuật bus trường Bản thân thiết bị Siemens thiết bị khác – truyền động, thiết bị truyền, cảm biến, dụng cụ đo hỗ trợ chuẩn tương thích với giao thức PROFIBUS Hình 2.6 rõ cách tổng quan cấp thiết bị trường hệ thống PCS7 Hình 2.7 Các cấp thiết bị hệ thống PCS -7- 2.2 Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp 2.2.1 Mạng truyền thơng cơng nghiệp Mạng truyền thơng công nghiệp hay mạng công nghiệp khái niệm chung mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, sử dụng để ghép nối thiết bị công nghiệp Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến cho phép liên kết mạng nhiều mức khác nhau, từ cảm biến, cấu chấp hành cấp trường máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát máy tính cấp điều hành xí nghiệp quản lý cơng ty Trong lĩnh vực đo lường, điều khiển tự động hóa, việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp (đặc biệt bus trường) để thay cách nối điểm – điểm cổ điển thiết bị công nghiệp, mang lại lợi ích sau:          Đơn giản hóa cấu trúc liên kết thiết bị công nghiệp Giám đáng kể giá thành dây nối công lắp đặt hệ thống Nâng cao độ linh hoạt, tính mở hệ thống Tính thời gian thực, độ tin cậy khả tương thích mơi trường cơng nghiệp cao Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc chẩn đốn, định vị lỗi, cố thiết bị Nâng cao khả tương tác thành phần (phần cứng phần mềm) nhờ giao diện chuẩn Mở nhiều chức khả ứng dụng hệ thống Ví dụ, ứng dụng điều khiển phân tán, điều khiển giám sát chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet Các hệ thống bus trường dần thay mạch dòng tương tự – 20mA Ưu giải pháp dùng mạng công nghiệp nằm phương diện kỹ thuật mà cịn khía cạnh hiệu kinh tế Chính vậy, ứng dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực cơng nghiệp điều khiển q trình, tự động hóa xí nghiệp, điều khiển giao thơng… -8- 2.2.2 Mơ hình phân cấp chức hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Để xếp, phân loại phân tích đặc trưng hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mơ hình phân cấp quen thuộc cho cơng ty, xí nghiệp sản xuất với loại mơ hình này, chức phân thành nhiều cấp khác nhau: Hình 2.8 Mơ hình phân cấp chức hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Tương ứng với cấp chức mơ hình cơng ty, xí nghiệp cấp hệ thống truyền thông Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống, thuật ngữ “bus” thường dùng thay cho “mạng” với lí phần lớn hệ thống mạng phía có cấu trúc vật lý logic kiểu bus a Bus trường, bus thiết bị Bus trường (fieldbus) khái niệm chung dùng nghành công nghiệp để hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với với thiết bị cấp chấp hành, hay thiết bị trường Các thiết bị có khả nối mạng vào/ra phân tán, thiết bị cảm biến cấu chấp hành có tích hợp khả xử lý truyền thơng Bus thiết bị bus trường có chức tương đương, ứng dụng ngành cơng nghiệp khác nên số tính khác Tuy nhiên, khác ngày không rõ rệt Trong thực tế, người ta dùng chung khái niệm bus trường -9- Nhiệm vụ bus trường chuyển liệu trình lên cấp điều khiển để xử lý chuyển định điều khiển xuống cấu chấp hành Vì vậy, yêu cầu tính thời gian thực đặt lên hàng đầu Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm phạm vi từ 0,1ms tới vài ms Trong đó, u cầu lượng thơng tin điện thường cần phạm vi Mbit/s thấp Việc trao đổi thông tin biến trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hồn, bên cạnh thơng tin cảnh báo có tính chất bất thường Các hệ thống bus trường sử dụng rộng rãi PROFIBUS, ControlNet, Internus-S, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus gần có Foundation Fieldbus, DeviceNet, AS-i, EIB Bitbus vài hệ thống bus cảm biến/chấp hành tiêu biểu b Bus hệ thống, bus q trình Các hệ thống mạng cơng nghiệp dùng để kết nối máy tính điều khiển máy tính cấp điều khiển giám sát với gọi bus hệ thống (System Bus) hay bus trình (Process Bus) Qua bus hệ thống mà máy tính điều khiển phối hợp hoạt động, cung cấp liệu trình cho trạm kỹ thuật trạm quan sát chấp nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ trạm phía Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà địi hỏi tính thời gian thực có đặt cách ngặt nghèo hay khơng Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm khoảng vài trăm ms, lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn nhiều so với bus trường Tốc độ truyền thông tiêu biểu bus hệ thống nằm phạm vi từ vài trăm Kbit/s đến vài Mbit/s Do yêu cầu tốc độ truyền thông khả kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính kiểu bus hệ thống thông dụng Ethernet Industrial Ethernet Ngồi cịn sử dụng PROFIBUS-FMS, Modbus Plus Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet c Mạng xí nghiệp Mạng xí nghiệp thực mạng LAN bình thường, có chức kết nối máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành với cấp điều khiển giám sát Thông tin đưa lên bao gồm trạng thái làm việc trình kỹ thuật, giàn máy hệ thống điều khiển tự động, số liệu tính tốn, thống kê diễn biến trình sản xuất chất lượng sản phẩm Thông tin theo chiều ngược lại thông số thiết kế, công thức điều khiển mệnh lệnh điều hành Khác với hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp khơng u cầu nghiêm ngặt tính thời gian thực Việc trao đổi liệu thường diễn khơng định kỳ, có với số lượng lớn tới hàng Mbytes Hai loại mạng dùng phổ biến cho mục đích Ethernet Token-Ring, sở giao thức chuẩn TCP/IP IPX/SPX -10- Nếu kết nối SIMOCODE PC thơng PC đọc liệu ONLINE từ SIMOCODE hình bên Đồng thời STATUS thị trạng thái: -Giao tiếp qua PROFIBUSDP -Địa DP: 125 -Tình trạng kết nối:S7ONLINE Khi kết nối máy tính SIMOCODE-DP ta thiết lập tùy ý thông số cho SIMOCODE giao diện máy tính thơng qua thơng số cho bàng Sau vài thông số bản: -130- 10 GENERAL: -Mã số thiết bị -Địa DP SIMOCODE -Tốc độ truyền -OK 11 OVERLOAD: Cài đặt thơng số q tải giám sát dịng động cơ, chế độ làm việc, dòng định mức, dịng q tải, hình thức cảnh báo -Response-Overload: tải đưa cảnh báo ngắt -Class: chế độ ngắt -Load: 1pha pha -Set Current Is1:dòng định mức -Current Limits:xác định giới hạn cho dòng tải -131- 12 BASIC UNIT: cho phép gán địa ngõ vào, điều kiện để kích hoạt ngõ Relay 13 Bus PROFIBUS-DP: Các thông số mạng -Tốc độ truyền -Địa DP trạm -Kiểu liệu giao tiếp -Kiểu chế độ vận hành:Normal DPV1 14 Phần mềm hỗ trợ chức giám sát trạng thái hoạt động thiết bị -Dòng -Phần trăm dòng so với dịng định mức -Thơng báo dịng định mức -Thời gian vận hành -Số lần tải -Số lần khởi động lại -132- 15 CONTROL/SIGNAL Giám sát trạng thái hoạt động thiết bị thông qua đèn báo Cấu hình phần cứng STEP Bảng 7.13 Cấu hình phần cứng cho SIMOCODE-DP Kết STT Thao tác -Mở chương trình STEP7 -Tạo Project Thiết lập phần cứng sau: -CPU 313C-2DP -Địa DP -Tốc độ truyền 1.5Mbps Trong cửa sổ Catalog chọn PROFIBUS DP\ Switching Devices\ -SIMOCODE-DPS7: hỗ trợ chuẩn DPV1 -SIMOCODE-DP: hỗ trợ chuẩn DP-Normal -Tùy theo thiết lập phần mềm Win-SIMOCODE mà ta chọn loại SIMOCODE hỗ trợ chuẩn tương ứng Kéo thả vào nhánh -Chọn địa DP cho SIMOCODE 125 -Đồng thời chọn kiểu liệu giao tiếp cho SIMOCODE -133- Sau cấu hình hồn tất -134- 7.4 Ứng dụng mạng truyền thơng điều khiển q trình Sơ lược vể chức thiết bị đề tài Bảng 7.5 Chức thiết bị đề tài TT Tên thiết bị CPU 414-3DP Order Chức 6ES7 414-3XJ00-0AB0 MASTER 400: kết nối với máy tính qua Ethernet để giám sát toàn hoạt động hệ thống Giám sát SIMOCODE, gửi data MASTER 400 thông qua CP342-5 CPU 313C-2DP 6ES7 313-6CE00-OAB0 CP342-5 6GK7 342-5DA01-0XE0 SIMOCODE 3UF50 01-3AJ10-1 Giám sát hiệu động pha, 1pha,… REPEATER 6ES7 972-0AA01-0XA0 Khuếch đại tín hiệu mở rộng khoảng cách thêm 300m DP/DP COUPLER 6ES7 158-0AD00-0XA0 Truyền thông đường truyền khác MASTER 300: giám sát WAGO trạm AS-I, gửi data cho MASTER 400 qua DP/DP coupler CPU 313C-2DP 6ES7 313-6CE00-OAB0 WAGO 750-303 CP 341 RS 422/485 6ES7341-1CH02-0AE0 Hỗ trợ DP-slave cho CPU Hỗ trợ I/O, AI, AO, Truyền thông điểm-điểm MASTER 300 trạm AS-I Ngồi cịn có thiết bị trạm lưu lượng, trạm AS-I -135- 7.4.1 Giao diện sơ đồ tổng thể hệ thống trạm công cụ WinCC 6.0 Sơ đồ tổng thể Hình 7.13 Sơ đồ tổng thể hệ thống Chức nút nhấn giao diện: EXIT: khỏi chương trình WinCC SIMOCODE: vào giao diện trạm SIMOCODE FLOW: vào giao diện FLOW STATION WAGO: vào giao diện WAGO AS-I: vào giao diện AS-I STATION Cấu hình phần cứng cho trạm, thiết bị sơ đồ theo hướng dẫn mục 7.1, 7.2 7.3 -136- Sơ đồ trạm SIMOCODE Hình 7.14 Sơ đồ trạm SIMOCODE HOME: trở giao diện SET_OV: cho phép cài đặt giá trị tải OV Khi giá trị dòng điện (PV) ≥ 0V đèn WARNING màu đỏ báo hiệu tải, ngược lại màu xanh -137- Sơ đồ FLOW STATION (Trạm lưu lượng) Hình 7.15 Sơ đồ FLOW STATION START/STOP: điều khiển hoạt động trạm SP: cài đặt giá tri lưu lượng mong muốn PV: giám sát giá trị lưu lượng chảy qua van GAIN, Ti, Td: cài đặt thông số PID -138- Sơ đồ AS-I STATION (trạm AS-I) Hình 7.16 Sơ đồ AS-i STATION Qui trình: Khi sensor phát lần OUT có trạng thái ON, phát lần OUT OFF, tương tự cho sensor 2, 3, Khi sensor phát lần relay K1 ON, phát lần K1 OFF Khi sensor phát lần relay K2 ON, phát lần K2 OFF -139- Sơ đồ trạm WAGO Hình 7.17 Sơ đồ trạm WAGO Qui trình: - Khi tác động vào nút nhấn lần đèn sáng với khoảng thời gian định trước, tác động lần tắt hết 7.4.2 Hoạt động hệ thống Từ việc truyền thông trạm với qua giao thức mạng mà nhóm nghiên cứu phần lý thuyết, nhóm tiến hành thi công hệ thống mạng cụ thể theo mơ hình nêu với nhiệm vụ tập trung vào MASTER 400 sau: - Giám sát: (qua Ethernet kết nối CPU 400 máy tính) SIMOCODE: cập nhật thay đổi giá trị dịng bóng đèn 220VAC đưa cảnh báo tải Trạm lưu lượng: giá trị lưu lượng (PV), trang thái bơm, van,… Hệ thống WAGO: trạng thái ngõ vào/ra Trạm AS-I: trạng thái cảm biến, rơ le Điều khiển: Trạm lưu lượng: On/Off hoạt động trạm, cài đặt giá trị lưu lượng (SP), thông số PID Trạm WAGO: điều khiển nút nhấn -140- 7.4.3 Cách thức trao đổi liệu trạm qua vùng nhớ tham chiếu MASTER 400 với trạm SIMOCODE , trạm lưu lượng Hình 7.18 Vùng nhớ tham chiếu MASTER 400 với SIMOCODE, trạm lƣu lƣợng Giữa MASTER 300 WAGO, trạm AS-I -141- Hình 7.19 Vùng nhớ tham chiếu MASTER 300, WAGO trạm AS-i Giữa MASTER 400 MASTER 300: thơng qua DP/DP coupler Hình 7.20 Vùng nhớ tham chiếu MASTER 300 MASTER 400 Từ việc qui định vùng nhớ việc đọc hay xuất liệu trạm hoàn toàn khả thi Vd: muốn biết giá trị lưu lượng nước (PV), trạng thái van V3 trạm FLOW STATION từ MASTER 400 làm sau Chương trình bên FLOW STATION Hình 7.21 MOVE data từ trạm lƣu lƣợng vùng nhớ tham chiếu QD5 QB10 vùng nhớ tham chiếu qui định từ Chương trình bên MASTER 400 Tương ứng ID5 IB10 giá trị nhận từ trạm lưu lượng -142- 7.4.4 Cấu hình mạng phần mềm STEP Sơ đồ mạng Hình 7.22 Cấu hình mạng hệ thống STEP Chương trình: đính kèm CD -143- TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2005 [2] Nguyễn Kim Ánh – Nguyễn Mạnh Hà, Giáo trình mạng truyền thơng cơng nghiệp, Đả Nẵng, 2007 [3] Học viện kỹ thuật quân sự, Mạng máy tính truyền thơng cơng nghiệp, Hà Nội, 2009 [4] SIEMENS, AS-Interface / ASIsafe, 11/2008 [5] Pepperl + Fuchs, Manual AS-interface Master IP20 [6] Spehro Pefhany, Modbus Protocol, January 2000 [7] Rev J, Modicon Modbus Protocol, June 1996 [8] Manual, S7-300 CP 341 Point-to-Point Communication, Installation and Parameter Assignment, April 2009 [9] Josef Weigmann, Gerhard Kilian, Decentralization with Profibus DP/DPV1, 2003 [10] SIEMENS, PROFIBUS Network Manual, 4/2009 [11] SIEMENS, S7-CPs for PROFIBUS Configuring and Commissioning, March 2009 [12] Configuration of a CP342-5 as DP Slave to a CP 342-5 as DP Master, July 2010 [13] SIEMENS, Diagnostic Repeater for PROFIBUS-DP, 2006 [14] SIEMENS, DP/DP Coupler Manual, 2/ 2006 [15] SIEMENS, 3UF5 SIMOCODE-DP System Motor Protection and Control Device [16] WAGO, PROFIBUS DP/FMS Fieldbus Coupler 750-303, 18/02/2010 [17] Công ty cổ phần giải pháp công nghệ thương mại sản xuất TAS, Giải pháp PCS 7, 05/08/2010 URL: http://tas-corp.com.vn/giai-phap/giai-phap-automation/60-batch-scheduler-andcontrol-recipe-in-braumat.html [18] Điện tử Việt Nam, Mạng truyền thông công nghiệp SIMATIC NET, 02/09/2005 URL: http://www.dientuvietnam.net/forums/showthread.php?332M%E1%BA%A1ng-truy%E1%BB%81n-th%C3%B4ng-c%C3%B4ngnghi%E1%BB%87p-SIMATIC-NET [19] SIEMENS URL http://support.automation.siemens.com -146- ... -7- 2.2 Tổng quan mạng truyền thông công nghiệp 2.2.1 Mạng truyền thơng cơng nghiệp Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp khái niệm chung mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp,... loại mạng dùng phổ biến cho mục đích Ethernet Token-Ring, sở giao thức chuẩn TCP/IP IPX/SPX -10- d Mạng công ty Mạng công ty nằm mơ hình phân cấp hệ thống mạng truyền thông Đặc trưng mạng công. .. chức hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Để xếp, phân loại phân tích đặc trưng hệ thống mạng truyền thơng cơng nghiệp, ta dựa vào mơ hình phân cấp quen thuộc cho cơng ty, xí nghiệp sản xuất