Đồ án mạng truyền thông

Thiết kế hệ thống mạng truyền thông cho nhà máy xi măng - giải pháp của hãng siemen

ĐHGTVTTPHCM-TỰĐỘNGHÓACÔNGNGHIỆP-TĐ05

2009

ĐỒ ÁN MẠNG TRUYỀN THÔNGTHIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠNG TRUYỂN THÔNG

CHO NHÀ MÁY XI MĂNG - GIẢI PHÁP CỦA HÃNG SIEMEN.

GVHD: Trần Hoàng Dũng

Nhóm thực hiện:

Châu Vĩnh Phú Phan Văn Thi Trịnh Văn Thắng Bùi Thanh Nhẹ

S Ố 2 , Đ 3 , V Ă NT H Á N HB Ắ C ,B Ì N HT H Ạ N H , H ỒC H ÍM I N H

Phục lục:

1 Nội dung đề tài và yêu cầu

2 Tìm hiểu giải pháp mạng truyền thông của hãng Siemen và giải pháp chọn lựa

3 Thống kê các thiết bị phù hợp với hệ thống 4 Tính năng hỗ trợ cần chú ý của các thiết bị 5 Vẽ cấu hình giải pháp của hệ thống

6 Phân tích những ưu nhược điểm của giải pháp đã lựa chọn 7 Tài liệu hổ trợ

1 Nội dung đề tài và yêu cầu:

Nội dung đề tài:

Nhà máy gồm 2 line sản xuất, mỗi line sản xuất gồm một trạm chủ và 5 trạm tớ Trạm tớ 1 : điều khiển các thiết bị đóng cắt hệ thống điện , các motor băng chuyền tải liệu, máy nghiền, quạt gió, hút bụi…

Trạm tớ 2 : điều khiển một hệ thống cân động Hệ thống này có tác dụng điều khiển khối lượng liệu đầu vào đúng với công suất cài đặt.Liệu vào là xỉ

Trạm tớ 3 : tương tự như trạm tớ 2 nhưng liệu vào là clinke Trạm tớ 4 : tương tự như trạm tớ 3 nhưng liệu vào là đá vôi Trạm tớ 5 : tương tự như trạm tớ 4 nhưng liệu vào là salat Hệ thống điều khiển cân động cho trạm 2,3,4,5 gồm :

- Một biến tần để điều khiển motor - Một motor của băng tải cân

- Một encoder để đưa về tốc độ băng tải

- Một loadcell để cân khối lượng liệu trên băng tải Hệ thống trạm tớ 1 giả sử bao gồm :

- 25 motor liên quan đến quá trình nghiền, tải liệu, quạt gió, hút bụi, cán liệu… ( không có biến tần)

- Hệ thống đèn cảnh báo và alarm có 100 input digital, 64 output digital - Hệ thống sensor analog ( 4-20mA) gồm 40 cảm biến ( nhiệt độ, áp suất, độ

ồn ….)

- Hệ thống sensor giám sát tốc độ máy nghiền ( xung tốc độ cao ) ( 4 sensor)

Yêu cầu:

Đưa ra giải pháp thiết kế hệ thống, từ điều khiển giám sát đến các trạm

Công việc bao gồm :

+ Tìm hiểu giải pháp mạng truyền thông

+ Thống kê các thiết bị phù hợp với hệ thống mạng mình đưa ra + Tính năng hỗ trợ cần chú ý của các thiết bị đó

+ Vẽ cấu hình giải pháp của hệ thống:

+ Phân tích những ưu điểm nhược điểm của giải pháp đã chọn lựa

2 Tìm hiểu giải pháp mạng truyền thông của hãng Siemen và giải pháp chọn lựa

Giải pháp mạng truyển thông của hãng Siemen:

Siemen đưa ra khá đầy đủ các giải pháp cho mạng truyển thông cho các lĩnh vực tự động hóa, đây là một mô hình thể hiện giải pháp của hãng:

Mô tả giải pháp mạng truyền thông của hãng Siemen : Các cấp hệt thống mạng và phương pháp truyền thông:

Cấp quản lý( Management leave): truyển thông theo chuẩn Enthernet

Cấp giám sát (Operations leave) : truyền thông theo chuẩn Industrial Ethernet Cấp điều khiển (Control leave) : chuẩn Profi Net

Cấp chấp hành (Field leave): chuẩn Profibus DP, Profibus PA, AS-interface, Hart

Nhìn chung hãng Siemen đưa ra rất đầy đủ, và tích hợp rất nhiều các sản phẩm để hỗ trợ cho nhu cầu của khách hàng từ các thiết bị cấp quản lý đến cấp trường, phần mềm và phần cứng

Giải pháp chọn lựa:

Dựa trên các giải pháp mà hãng đã đưa ra, ta chọn một giải pháp để xây dựng giải pháp mạng truyền thông cho nhà máy xi măng:

Cấp chấp hành: Truyền thông theo chuẩn ProfiBus DP và As-interface

+ Các thiết bị : Motor, đèn cảnh báo, Alarm, Sensors, biến tần, encoder, loadcell Cấp điều khiển : Truyền thông theo chuẩn Profi-bus DP

+ Các thiết bị: Plc S7, và các modul truyền thông Cấp giám sát: Truyển thông theo chuẩn Profi-bus DP

+Các thiết bị : Máy tính giám sát, và modul truyền thông, phần mềm: WinCC, SIMATIC Manager

3 Thống kê các thiết bị phù hợp với hệ thống

3.1 2 máy tính giám sát 2 line:

Vì yêu cầu trong nhà máy đòi hỏi các máy tính công nghiệp phải có độ an toàn cao nên không thể dùng các máy tính thông thường Siemen có đưa ra các máy tính PG/PC khác nhau, dưới đây là một ví dụ Thông tin của máy được thể hiện rõ trong tài liệu đi kèm của nhà sản xuất Ngoài ra máy tính để thực hiện giám sát được cần cài đặt phần mềm WinCC

Dưới đây là một thông tin nhỏ về giao thức truyền dẫn Profi-bus DP để hỗ trợ cho việc chọn lựa giải pháp mạng

Ngoài ra còn một số thông tin khác có trong tài liệu đi kèm

3.2 2 con Simantic S7-400 H, CPU 417-4H:

Dòng S7-400 là một dòng CPU cao cấp, thực hiện được một lượng lớn những công việc , và khả năng quản lý rất lớn các cổng I/O Trong bài, nhóm chọn con CPU-417-4H vì dòng này cho phép thực hiện được chức năng Redundacy, đảm bảo khi một CPU gặp sự cố thì có CPU khác thay thế

Ngoài ra để thực hiện được khả năng giao tiếp giữa hai line sản xuât riêng nhau ta có thể dùng giao tiếp S7-Comunication được hỗ trợ trong dòng này

Vì thế ta cần gắn thêm trên S7-400, hai card mạng, được thể hiện trong phần cấu hình

Trong mỗi rack ta còn gắn thêm một bộ nguồn có khả năng Redundancy

Có tài liệu đi kèm

Bên dưới là thông tin cấu hình:

3.3 2 con IM 135-2: là một loại module có khả năng hỗ trợ redundancy trong trạm S7-400

Hình bên dưới là cấu hình cho trạm:

3.4 10 con Simatic S7-200, CPU 215:

Hình bên dưới là cấu hình 5 con S7-200 CPU215 vào đường truyền Profi-bus:

này được cài vào S7-200

Tính toán số lượng I/O và ta lựa chọn được các module tương ứng để có thể đáp ứng yêu cầu đề bài

Hình bên dưới hướng dẫn cách cài đặt module As-i vào S7-200 thông qua chức năng As-I Wizard ( Thế nhưng yêu cầu phải có S7-200 thật và module thật được nối vào máy tính có phần mền STEP 7- Micro/WIN)

Vì không có module nên cũng không thể cấu hình được

B slave trong mạng AS-i.B1 Module vào ra số:

F90 module để đảm bảo có 100 ngõ vào và 64 ngõ ra số ta dùng 16 module loại này trong loại 16 input ,2 bộ loại 4DI/DO 14 bộ, mã số của hai loại này là (3RG9002-0DE00-16input, 3RG9002-0DA00-4DI/DO)

B2 Module vào analog:

K60 analog module, mã số sản phẩm ta dùng là 0AA3- loại này có 4 ngõ vào analog, tín hiệu dòng, hình minh họa bên dưới

B 3 Bộ khởi động cho động cơ:

Đây là bộ Ecofast motor starter dùng trong mạng AS-i cấp độ bảo vệ IP65 dùng cho loại động cơ 3 pha xoay chiều, công suất của động cơ mà ecofast hỗ trợ lên tới 5,5 Kw Hình bên cạnh là ví dụ về cấu hình cho 2 động cơ trong mạng như vậy theo yêu cầu của bài thì ta chọn 25 bộ này , mã sản phẩn cụ thể ta chọn là 3RK1323-2AS54-1AA3- là loại 0.3A- 9A(4kw), loại này có cảm biến nhiệt bảo vệ quá tải

3.6 4 Bộ đọc xung tốc độ cao:

Trong trạm này cần có thiết bị đọc xung tốc độ cao của 4 sensor vì vậy mạng AS-i không đáp ứng được do đó ta gắn module vào mạng dp master và xung tốc độ cao được đưa về module đó hình dưới thể hiện

cách cài đặt của

biến tần khác nhau thuộc dòng MM440

1 Nguyên tắc hoạt động của biến tần:

Bộ chỉnh lưu biến điện xoay chièu thành điện một chiều, bộ nghịch lưu có điều khiển biến điện một chiều thành xoay chiều với tần số khác nhau

Compuscale III Có ngõ ra từ 4-20mA, tần số đáp ứng 3khz, các tính năng khác

Module nhận tín hiệu từ load cell:

hiệu dưới dạng số nguyên về plc xử lý Siwarex ms thể hiện được khối lượng qua màn hình hiển thị, nó hoạt động nhờ phần mềm nạp vào nó từ máy tính

Hình bên dưới thể hiện việc đọc khối lượng:

3.9 Encoder:

A Encoder được dùng trong các trạm cân động để

theo dõi bang tải ta dùng loại encoder tương đối vì băng tải chạy với tốc độ không cao do vậy ta chọn encoder của hãng rotalpuls có số xung trên 1 vòng là 360

Các đầu dây ra:

B Module hổ trợ chuyển đổi tín hiệu từ encoder về PLC xử lý: T1505 High Speed Counter Encoder Module

Đèn led chỉ thị kết nối dây:

Hình thể hiện các kết nối encoder vào module:

3.10 Động cơ:

Tuỳ theo nhu cầu sử dụng mà ta chọn loại động cơ cú cụng suất phự hợp

4 Tớnh năng hỗ trợ cần chỳ ý của cỏc thiết bị:

S7-400 H, CPU 417-4H cú khả năng Redundancy

Biến tần: Trong mục lựa chọn thiết bị ta chọn dũng biến tần micromaster

440(MM440) đõy là dũng cú hỗ trợ giao thức USS protocol

Dưới đõy là một số thụng tin khi dựng giao thức này:

Điều kiện để sử dụng giao thức USS:

Thư viện lệnh STEP7 – Micro/Win cung cấp 14 thủ tục con 3 thủ tục ngắt và 8 lệnh được tích hợp trong giao thức USS Các lệnh USS sử dụng phương thức sau trong S7 – 200

Giao thức USS được thiết lập trên Port 0 cho giao tiếp USS

Lệnh USS_INIT cho phép lựa chọn giao tiếp kiểu USS hoặc PPI trên port 0 Sau khi lựa chọn giao thức USS để giao tiếp với biến tần nói riêng ta không thể sử dụng port 0 cho bất kỳ mục đích nào khác, kể cả giao tiếp với phần mềm STEP7 – Micro/Win

Các lệnh USS được tạo ra chiếm khoảng 3600 byte Tuỳ thuộc vào các lệnh mà ta sử dụng, phải dành riêng cho giao thức USS một vùng nhớ V khoảng 400 byte

Các lệnh USS không được dùng trong thủ tục ngắt

Trình tự lập trình sử dụng các lệnh USS như sau:

Đặt lệnh USS_INIT trong chương trình Lệnh USS_INIT chỉ nên được gọi trong một chu kỳ quét để thiết lập hay thay đổi các thông số giao tiếp của giao thức USS

Đặt chỉ một lệnh DRV_CTRL cho mỗi một biến tần tích cực trong chương trình Có thể thêm vào nhiều lệnh USS_RPM_x và USS_WPM_x nếu cần thiết, nhưng chỉ một biến tần được tích cực tại một thời điểm

Thiết lập các thông số biến tần để phù hợp với tốc độ baud và địa chỉ của biến tần được dùng trong chương trình

Nối cáp giao tiếp giữa CPU và các biến tần

Thời gian cần thiết để giao tiếp:

Giao tiếp với các thiết bị có vòng quét không cùng với S7 – 200 S7 – 200 thực hiện được vài vòng quét thì thiết bị giao tiếp mới hoàn thành Thời gian cần thiết để giao tiếp phụ thuộc vào số thiết bị giao tiếp, tốc độ baud và thời gian quét của S7 – 200

Sử dụng các lệnh USS Protocol:

Thư viện lệnh STEP7 – Micro/Win cho phép điều khiển các bộ biến tần MicroMaster một cách dễ dàng bằng các hàm lệnh đặc biết được thiết kế sử dụng giao thức USS để giao tiếp với biến tần Với lệnh USS, ta có thể điều khiển biến tần và có thể đọc/ghi các thông số của biến tần

Cỏc lệnh USS nằm trong thư viện của cõy lệnh step7/microwin.* Lệnh USS_INIT

Lệnh này dùng để bắt thiết lập giao thức USS để kết nối PLC và (mạng) biến tần

Lệnh USS_INIT được dùng để cho phép và thiết lập hay không cho phép thiết lập giao tiếp với biến tần MicroMaster Lệnh USS sẽ được thực hiện khi không có lỗi nào xuất hiện Lệnh này hoàn thành

thì bit DONE được set lập tức trước khi tiếp tục thực hiện các lệnh kế tiếp

Lệnh này được thực hiện mỗi khi đầu vào EN được thiết lập bằng 1 Lệnh USS_INIT được thực hiện mỗi khi có sự thay đổi trạng thái giao tiếp Khi giao thức USS đã được thiết lập, giao thức USS sẽ được loại bỏ bằng cách thực thi một lệnh USS_INIT mới trước khi có sự thay đổi trong các thông số giao tiếp

Giá trị của đầu vào USS cho phép chọn giao thức giao tiếp Giá trị 1 cho phép dùng port 0 cho giao thức USS Giá trị 0 gán port 0 cho giao thức ppi và loại bỏ giao thức USS

Đầu vào BAUD thiết lập tốc độ baud: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 hay 3400 baud

Đầu vào ACTIVE chỉ ra biến tần nào đang được tích cực Đối với MicroMaster thì hỗ trợ địa chỉ từ 0 đến 30

Khi lệnh USS_INIT được hoàn tất, bit DONE được thiết lập bằng 1, đầu ra ERR (byte) chứa kết quả của việc thực hiện lệnh

* Lệnh USS_CTRL

Lệnh này dùng để điều khiển biến tần chạy, dừng, đảo chiều và thay đổi tốc độ

Lệnh USS_CTRL được dùng để điều khiển một biến tần MicroMaster được tích cực Lệnh USS_CTRL đặt các lệnh chọn trước trong bộ đệm giao tiếp Các lệnh đặt trong bộ đệm được gửi cho biên tần đó đã được chọn trong thông số ACTIVE của lệnh USS_INIT Mỗi biến tần chỉ có một lệnh DRV_CTRL

Đầu ra EN được thiết lập bằng 1 để cho lệnh drv_ctr

được thiết lập (lệnh này phải luụn luụn được thiết lập)

Ngõ vào RUN (RUN/STOP) được thiết lập bằng 1cho phép điều khiển biến tần và bằng 0 không cho phép điều khiển biến tần Khi Run được thiết lập bằng 1, bộ biến tần MicroMaster nhận được lệnh bắt đầu chạy tại tốc độ và chiều đã định trước Để biến tần chạy thì:

* DRIVER phải được chọn tích cực trong ACTIVE trong USS_INIT * OFF2 và OFF3 phải được đặt bằng 0

* FAUL và INHIBIT phải bằng 0

Khi RUN bằng 0 thì một lệnh được gửi đến MicroMaster để giảm tốc độ xuống cho đến khi động cơ dừng hẳn

Bit OFF2 được dùng để cho phép biến tần dừng động cơ nhanh hơn Bit OFF3 được dùng để MicroMaster dừng nhanh chóng

Bit F_ACK (Fault Acknowledge) được dùng để xác nhận lỗi truyền thông trong biến tần Biến tần sẽ xóa lỗi (FAULT) khi F_ACK đi từ mức thấp đến mức cao

Đầu vào DRIVE (drive address) cho biết địa chỉ của biến tần MicroMaster mà lệnh DRV_CRTL đã điều khiển Địa chỉ có giá trị từ 0 đến 30

Đầu vào TYPE chọn loại biến tần Với biến tần MicroMaster 3 chọn TYPE = 0, với biến tần MICROMASTER 4 chọn TYPE = 1

Đầu vào Speed_SP (speed setpoint) đặt tốc độ của động cơ dưới dạng phần trăm của tốc độ tối đa (-200% đến 200%) Giá trị âm của Speed_SP làm động cơ đảo chiều quay

Bit Error là một byte lưu kết quả của lần giao tiếp mới nhất với biến tần Đầu ra STATUS chứa trạng thái của biến tần

Đầu ra SPEED lưu tốc độ của động cơ dưới dạng phần trăm của tốc độ định mức (-200% đến 200%)

Đầu ra RUN_EN (DRIVE RUN ENable) cho biết biến tần đang chạy (bằng 1) hay đã dừng (bằng 0)

Đầu ra D_DIR cho biết chiều quay của động cơ

Đầu ra INHIBIT cho biết trạng thái cấm trong biến tần (0 – not inhibited, bằng 1 inhibited) Để xóa bit cấm thì bit FAULT phải được OFF và các bit vào RUN,OFF2 và OFF3 phải bằng 0

Đầu ra FAULT cho biết trạng thái của bit lỗi (0 – không có lỗi, 1 – có lỗi) Bộ biến tần sẽ hiển thị mã lỗi Để xóa bit FAULT thì phải sửa lỗi và thiết lập bằng 1 bit F_ACK

* Lệnh USS_RPM_x

Lệnh này đọc thụng số từ biến tần

Lệnh USS_PRM_x đọc một thông số kiểu word không dấu Lệnh USS_RPM_x hoàn tất khi MicroMaster xác nhận hay khi có lỗi báo về

Đầu vào EN phải được thiết lập bằng 1 cho phép truyền yêu cầu xuống MicroMaster và phải luôn được thiết lập bằng 1 cho đến khi bit DONE bằng 1 báo hiệu sự hoàn tất Một yêu cầu USS_RPM_x được truyền tới MicroMaster ở mỗi chu kì vòng quét khi đầu vào EN được thiết lập bằng 1 Vì thế đầu vào XMT_REQ nên được cho qua một bộ P (bộ tách sườn dương) chỉ cho phép một yêu cầu được truyền đi ở mỗi cạnh lên của đầu vào EN

Đầu vào DRIVE là địa chỉ của biến tần MicroMaster mà lệnh USS_RPM_x được gửi đi Địa chỉ này có giá trị từ 0 đến 31

Đầu vào PARAM xác định thông số cần đọc Đầu vào INDEX là giá trị chỉ số của thông số cần đọc

Địa chỉ của một bộ đệm 16 – byte phải được đưa vào đầu vào DB_PTR Bộ đệm này được sử dụng bởi lệnh READ_PM để lưu kết quả nhận được từ biến tần

Khi lệnh READ_PM hoàn tất thi đầu ra DONE được thiết lập bằng 1 và đầu ra ERROR (kích thước byte) chứa kết quả của việc thực hiện lệnh

đầu ra value là giỏ trị thụng số đọc về

* Lệnh USS_WPM_x

Lệnh ghi thụng số xuống biến tần:

Lệnh USS_WPM_x ghi một giá trị word không dấu vào một thông số xác định Lệnh USS_WPM_x hoàn tất khi MicroMaster xác nhận hay khi nhận được lỗi

Đầu vào EN phải được thiết lập bằng 1 để cho phép truyền một yêu cầu và luôn giữ nguyên trạng thái bằng 1 cho đến khi bit DONE được thiết lập báo hiệu sự hoàn tất Một yêu cầu USS_WPM_x được truyền đến MicroMaster ở mỗi chu kỳ quét khi đầu vào XMT_REQ bằng 1 Vì thế XMT_REQ nên được cho qua bộ P (bộ tách sườn dương) chỉ cho phép một lệnh được truyền đi ở mỗi cạnh lên của đầu vào EN

Đầu vào DRIVE là địa chỉ của biến tần MicroMaster mà lệnh USS_WPM_x được gửi đi Địa chỉ có giá trị từ 0 đến 31

Đầu vào PARAM xác định thông số cần ghi Đầu vào INDEX là giá trị chỉ số của thông số cần ghi Đầu ra VALUE là giá trị cần ghi thông số

Khi đầu vào EEPROM được thiết lập bằng 1 thì lệnh này được ghi vào cả RAM và EEPROM của biến tần Khi đầu vào này bị mất đi thì lệnh chỉ được khi vào RAM của biến tần

Địa chỉ của một bộ đệm 16 – byte phải được đưa vào đầu vào DB_PTR Bộ đệm này được sử dụng bởi lệnh USS_WPM_x để lưu kết quả nhận được từ biến tần MicroMaster

Khi lệnh USS_wpm_ hoàn tất đầu ra done được thiết lập 1, đầu ra erro(byte) chứa kết quả thực hiện