BC Hệ THống THông TIn công nghiệp
BÀI 1. AS-i 1. Mục đích thí nghiệm. Giúp sinh viên củng cố được kiến thức cơ sở về kĩ thuật thông tin công nghiệp, nắm được phương pháp truyền thông và hệ thống bus AS-i. 2. Công tác chuẩn bị của sinh viên. - SV ôn lại kiến thức về cấu trúc tồn quan mạng TTCN. - SV chuẩn bị các kiến thức về hệ thống AS-I, lập trình trên PLC. 3. Trang thiết bị cần thiết. - 1 PC - 1 trạm PLC S7 – 200 với module giao diện CP 243 – 2. - Hệ thống AS-i với 2 slave. - Mô hình hóa và các thiết bị trường. 4. Các nội dung và quy trình. 4.1. Giới thiệu chung. AS-i (Actuator Sensor Interface) là kết quả phát triển hợp tác của 11 hãng sản xuất các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành có tên tuổi trong công nghiệp, trong đó có Siemens AG, Festo KG, Pepperl & Fuchs GmbH. Như tên gọi của nó phần nào diễn tả, mục đích sử dụng duy nhất của AS-i là kết nối các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành trong một hệ thống máy móc làm việc với các biến logic, cho nên việc nối mạng chúng trước phải được đáp ứng về giá thành, lắp đặt, vân hạnh và bảo dưỡng. Vì thế các tính năng kĩ thuật được đặt ra là: - Khả năng đồng tải nguồn, tức dữ liệu và dòng nuôi cho toàn bộ cảm biến và một phần lớn các cơ cấu chấp hành phải được truyền tải trên cùng một cáp hai dây. - Phương pháp phải thật bền vững trong môi trường công nghiệp nhưng không đòi hỏi cao về chất lượng đường truyền. - Cho phép thực hiện cấu trúc mạng theo đường thẳng cũng như hình cây. - Các thành phần giao diện mạng có thể thực hiện với giá thành thấp - Các bộ nối nhỏ gọn, đơn giản và giá cả hợp lí. Với các hệ thống bus đã có, các yêu cầu trên chưa được đáp ứng một cách thỏa đáng. Đó chính là động lực cho việc hợp tác phát triển hệ bus mới AS-i. Thế mạnh của AS-i là sự đơn giản trong thiết kế, lắp đặt, bảo dưỡng cũng như giá thành thấp nhờ vào một phương pháp truyền thông đặc biệt cũng như một kĩ thuật điện cơ mới. 1 4.2. Cấu hình mạng. Hình 1.1. Ví dụ về một cấu hình mạng AS-i với bộ điều khiển PLC S7 – 22x. 4.3. Cơ chế giao tiếp. AS-i hoạt động theo cơ chế giao tiếp Master/Slave. Trong một chu kì bus, trạm chủ thực hiện trao đổi với mỗi trạm tớ một lần theo phương pháp hỏi tuần tự. Trạm chủ gửi 1 bức điện và chờ đợi các trạm tớ trong 1 khoảng thời gian được định nghĩa trước . Cơ chế giao tiếp này cho phép thực hiện vi mạch ghép nối cho các trạm tớ rất đơn giản dẫn đến giá thành thực hiện thấp. Mặt khác tạo ra độ linh hoạt của hệ thống. Trong trường hợp xảy ra sự cố nhất thời trên bus, trạm chủ có thể gửi lại riêng từng bức điện mà nó không nhận được trả lời, chứ không cần thiết phải chờ lặp lại cả chu trình. Bên cạnh các bức điện dữ liệu định kì, trạm chủ cũng có thể gửi kèm các thông báo khác mà không gây ảnh hưởng đáng kể tới thời gian chu kì bus. Trong tổng cộng 9 loại thông báo có 2 loại phục vụ truyền dữ liệu và tham số, 2 loại dùng để đặt địa chỉ trạm tớ, 5 loại được sử dụng để nhận dạng và xác định trạng thái các trạm tớ. 2 4.4. Bảo toàn dữ liệu. AS-i sử dụng các bức điện rất ngắn và yêu cầu hiệu suất sử dụng các bức điện rất cao, vì vậy không thực hiện chức năng bảo toàn dữ liệu ở lớp 2 như đa số các hệ thống bus khác. Thay vào đó, 1 lớp chịu trách nhiệm hoàn toàn trong việc kiểm tra lỗi, dựa vào bit chẵn/lẻ kết hợp với phương pháp mã hóa bit hợp lí. Mặc dù theo lí thuyết thì khoảng cách Hamming của phương pháp bit chẵn/lẻ chỉ là 2 nhưng tỉ lệ lỗi còn lại được đánh giá là rất thấp. Trong trường hợp bức điện bị lỗi thì sẽ phải gửi lại. Tuy nhiên do các bức điện rất ngắn nên việc gửi lại các bức điện lỗi chỉ gây ảnh hưởng đáng kể tới thời gian chu kì bus khi tỉ lệ bit lỗi rất lớn. 4.5. Ghi chú và tài liệu tham khảo. Sau khi hợp tác phát triển AS-i vào năm 1994 thành công kết thúc, việc quản lí giám sát chuẩn, chứng nhận hợp chuẩn, định nghĩa các profiles và hỗ trợ các nhà sản xuất cũng như sử dụng được chuyển sang hiệp hội AS International Association. Trong quá trình phát triển liên tục, hạn chế trong chuẩn AS-i cũ được xóa bỏ. Ví dụ, nhiều sản phẩm AS-i cũng cho phép truyền dữ liệu tương tự qua các bức điện ngắn hoặc cho phép các bộ cung cấp nguồn 6 – 8A thay cho 2A như trước đây. Tuy nhiên, trong việc lựa chọn hệ thống mạng truyền thông, cần chú ý nhược điểm cơ bản của AS-i là chủng loại thiết bị trên thị trường có thể nối mạng được bị hạn chế. Nếu như hệ thống cần các thiết bị cảm biến và chấp hành tương tự thông thường thì đương nhiên phải cần thêm 1 hệ thống bus thứ 2. 5. Kết quả các yêu cầu cần đạt. - SV đã nắm rõ các kiến thức cơ bản về hệ thống bus AS-i cũng như việc ghép nối với máy tính để điều khiển. - Hoàn thành chương trình thu thập trạng thái các cảm biến cũng như iều khiển bài toán công nghệ đơn giản. Lưu đồ thuật toán: 3 Bài toán công nghệ: Cho 2 cảm biến A, B và 2 cơ cấu chấp hành X, Y. - Nếu A = 0, B = 0 thì X = 1, Y = 0 - Nếu A = 1, B = 0 thì X = 0, Y = 0 - Nếu A = 1, B = 1 thì X = 0, Y = 1 Ta có chương trình điều khiển như sau: 4 5 6 BÀI 2. MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP GHÉP NỐI BIẾN TẦN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 1. Mục đích thí nghiệm. Giúp sinh viên củng cố được kiến thức cơ sở về kỹ thuật thông tin công nghiệp, nắm được phương pháp truyền thông công nghiệp và điều khiển hệ thống biến tần thông qua mạng truyền thông công nghiệp. 2. Yêu cầu đối với sinh viên. - Cung cấp tài liệu thí nghiệm cho SV để SV ban đầu nắm được giao thức USS. - SV cần phải ôn lại kiến thức về cấu trúc tổng quan của mạng TTCN - SV cần phải chuẩn bị những nội dung sau: Tổng hợp các bản tin điều khiển biến tần theo hướng dẫn trong TL thí nghiệm. + Bản tin khởi động biến tần thứ n. + Bản tin dừng biến tần thứ n. + Bản tin thay đổi tốc độ động cơ thứ n. + Bản tin thay đổi tham số biến tần. + Bản tin lấy thông số từ biến tần. 3. Trang thiết bị cần thiết. - 1 PC - 2 biến tần Micromaster Vector và 1 biến tần Micromaster ECO được nối mạng. - Card truyền thông. - Mạng biến tần dùng cho thí nghiệm. - Động cơ điều khiển biến tần. - Tủ PCS cho hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. - Mô hình quá trình và thiết bị trường. 7 4. Các nội dung, quy trình. 4.1. Khái quát chung về USS. Giao thức USS được xây dựng bởi hãng Siemens là một giao thức truyền thông nối tiếp đơn giản, nó phù hợp với mục đích và điều kiện truyền thông của các thiết bị điều khiển. Giao thức USS cung cấp phương tiện truyền thông nối tiếp cho hệ thống một trạm chủ và một vài trạm tớ. Các bộ điều khiển PLC hoặc PC được sử dụng một cách linh hoạt và thuận tiện trong truyền thông USS. Giao thức USS có thể sử dụng cho hệ thống truyền thông kiểu đa điểm (như phần cứng RS485) hoặc truyền thông kiểu điểm - điểm (như giao diện EIA RS232). Ưu điểm của giao thức USS: - Sử dụng phương pháp truy nhập bus chủ - tớ. - Chỉ sử dụng một trạm chủ. - Sử dụng được tối đa 32 trạm trên một đoạn mạng. - Giao tiếp đơn giản. - Phù hợp về hình dáng, dịch vụ và mụch đích tự động hoá. - Dịch vụ cung cấp được tích hợp bằng phần mềm trên máy tính cá nhân. Giao diện chuẩn của USS: Thông thường giao diện chuẩn của USS có hai đầu vào cấp nguồn và hai đường tín hiệu để thiết lập đường dữ liệu đầu cuối. Đường tín hiệu này sẽ truyền dữ liệu tới biến tần, biến tần truyền lệnh tới các bộ hãm cơ khí để điều khiển thay đổi các thông số hoạt động của nó theo đúng yêu cầu và mong muốn của người vận hành. Ngoài ra đầu vào tín hiệu của giao diện này còn có thể được sử dụng cho chức năng dừng nhanh trong tình trạng có sự cố khẩn cấp. Tất cảc các thông số sử dụng cho việc lựa chọn phương pháp điều khiển theo chuẩn vào ra của giao diện chuẩn USS phải được cài đặt một cách đầy đủ trên biến tần trước khi đưa hệ thống đi vào hoạt động. 8 Khi đã hoàn thành việc kết nối biến tần với card truyền thông cũng như đã cài đặt đầy đủ những thông số cần thiết cho việc truyền thông với biến tần thông qua giao diện USS ta thu được một mạng truyền thông đơn giản. Khi đó ta có thể điều khiển và giám sát hoạt động của biến tần một cách dễ dàng thông qua máy tính cá nhân. 4.2. Kiến trúc giao thức. Giao thức USS cung cấp phương pháp truyền thông tin trên nhiều hệ thống bus cơ bản dựa trên nguyên tắc chủ - tớ. Giao thức USS sử dụng phương pháp truyền tin theo kiểu điểm - điểm, nó cho phép kết nối một trạm chủ với số lượng tối đa 31 trạm tớ trên cùng một đoạn mạng. Trạm chủ sẽ lựa chọn các trạm tớ riêng lẻ thông qua địa chỉ trong bức điện hay nói cách khác trạm tớ sẽ lựa chọn các bản tin của mình thông qua địa chỉ trong bức điện mà trạm chủ gửi đi. Giao thức USS không cung cấp phương pháp giao tiếp giữa các trạm tớ với nhau. Hệ thống bus hoạt động theo chế độ truyền tải là chế độ hai chiều gián đoạn, tức là tại cùng một thời điểm thì một trạm chỉ có thể gửi hoặc nhận thông tin mà không thể thực hiện được 2 việc này một cách đồng thời. Ở đây vai trò của trạm chủ được phân biệt một cách rõ ràng căn cứ vào cấu hình dịch vụ cũng như các chức năng điều khiển. 4.3. Cấu trúc bức điện. Trong giao thức USS, mỗi một bức điện bao gồm 14 byte. Bức điện được bắt đầu bởi byte khởi đầu STX tiếp theo đó là byte LGE, ADR, N 1 , ., N n , và cuối cùng là byte kết thúc BCC. STX LGE ADR N 1 N 2 … … N n BCC - STX: Là byte đánh dấu điểm khởi đầu của mỗi bức điện. Bằng cách kết hợp với việc kiểm soát khoảng thời gian truyền tin thì byte STX cho phép ta nhận thấy một cách chính xác khi bức điện bắt đầu được truyền đi. Giá trị của byte STX 9 được quy định một cách cụ thể và thông thường là giống nhau trong mọi bức điện ứng với mỗi loại biến tần. - LEG: Là byte có nội dung thể hiện chiều dài của một bức điện, thông tin này sẽ cung cấp sự giống và khác nhau giữa các bản tin. Ngoài ra trạm tớ có thể căn cứ vào thông tin này để kiểm tra xem bản tin có được truyền và nhận một cách chính xác hay không. - ADR: Là byte có nội dung thể hiện địa chỉ của trạm tớ và có thể có thêm một số thông tin phụ trợ khác. Giao thức USS cho phép địa chỉ của trạm tớ có thể được xác định hoặc thay đổi, địa chỉ của 31 trạm tớ (từ 0 đến 30) sử dụng trên cùng một đoạn mạng phải được được mã hoá theo cùng một kiểu sao cho tối ưu nhất. - N1, ., N n : Là các byte có nội dung thể hiện các công việc cần thực hiện trên trạm tớ. Nó bao gồm các thông số hoạt động, các chế độ điều khiển và phương pháp vận hành sẽ được cài đặt trên trạm tớ. Thông tin này do người vận hành xây dựng lên tuỳ theo nhu cầu sử dụng của hệ thống trong từng trường hợp cụ thể. - BCC: Là byte đánh dấu sự kết thúc của mỗi bản tin. Căn cứ vào thông tin này trạm chủ khẳng định nó đã hoàn thành vệc gửi một bản tin, còn trạm tớ hoàn thành việc nhận xong một bản tin. Khác với byte khởi đầu STX, byte kết thúc BCC cũng được quy định và tính toán một cách cụ thể tuỳ thuộc vào các thông tin trước nó. 4.4. Quá trình truyền tin. Trong giao thức USS, quá trình truyền bản tin được thực hiện một cách tuần tự từ byte khởi đầu đến byte kết thúc. Khi các từ thông tin có chiều dài 2 byte (từ kép) thì quá trình truyền tin sẽ được đáp ứng theo mức ưu tiên: byte cao được truyền trước, sau đó là byte thấp. Dữ liệu được truyền đi trên đường truyền theo phương pháp truyền bít nối tiếp qua khung UART, việc truyền dữ liệu được thực hiện bằng cách truyền từng byte một. Mỗi byte dữ liệu trước khi truyền đi được bổ sung thêm 2 bít đánh dấu khởi đầu (start), kết thúc (stop) và 1 bít kiểm tra lỗi chẵn lẻ (parity bít) Việc điều khiển truyền dữ liệu trên đường bus (gửi và nhận) được thực hiện bởi trạm chủ. 10 . thuật thông tin công nghiệp, nắm được phương pháp truyền thông công nghiệp và điều khiển hệ thống biến tần thông qua mạng truyền thông công nghiệp. 2. Yêu cầu. phương pháp truyền thông công nghiệp và điều khiển hệ thống biến tần thông qua mạng truyền thông công nghiệp. - Tổng hợp được các bản tin điều khiển biến