Đồ án Mô hình điều khiển-Giám sát hệ thống mạng truyền thông trong công nghiệp

a lần so với RS-422. Đặc tính khác nhau cơ bản của RS-485 so với RS-422 là khả năng ghép nối nhiều điểm, vì thế được dùng phổ biến trong hệ thống bus trường. Cụ thể 32 trạm có thể tham gia ghép nối, được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong một đoạn RS-485 mà không cần bộ lặp. Tốc độ truyền tải và chiều dài dây dẫn: Cũng như RS-422, RS-485 cho phép khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200 mét, không phụ thuộc vào số trạm tham gia. Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên tới 10Mbit/s, một số hệ thống gần đây có khả năng làm việc với tốc độ 12Mbit/s. Tuy nhiên có sự ràng buộc giữa tốc độ truyền dẫn tối đa và độ dài dây dẫn cho phép, tức là một mạng dài 1200m không thể làm việc với tốc độ 10MBd. Quan hệ giữa chúng phụ thuộc nhiều vào chất lượng cáp dẫn được dùng cũng như phụ thuộc vào việc đánh giá chất lượng tín hiệu. Cấu hình mạng: RS-485 là chuẩn duy nhất do EIA đưa ra mà có khả năng truyền thông đa điểm thực sự chỉ dùng một đường dẫn chung duy nhất, được gọi là bus. Chính vì vậy mà nó được dùng làm chuẩn cho lớp vật lý ở đa số các hệ thống bus hiện thời. Cáp nối: RS-485 không phải là một chuẩn trọn vẹn mà chỉ là một chuẩn về đặc tính điện học, vì vậy không đưa ra các quy định cho cáp nối cũng như các bộ nối. Có thể dùng đôi dây xoắn, cáp trơn hoặc các loại cáp khác, tuy nhiên đôi dây xoắn vẫn là loại cáp được sử dụng phổ biến nhất nhờ đặc trưng chống tạp nhiễu và xuyên âm. 1.4 CÁC HỆ THỐNG BUS TIÊU BIỂU 1.4.1 PROFIBUS Profibus (Process Field Bus) là một hệ thống bus trường được phát triển tại Đức từ năm 1987, do 21 công ty và cơ quan nghiên cứu hợp tác. Sau khi được chuẩn hóa quốc gia với DIN 19245, PROFIBUS đã trở thành chuẩn châu Âu EN 50 170 trong năm 1996 và chuẩn quốc tế IEC 61158 vào cuối năm 1999. Bên cạnh đó, PROFIBUS còn được đưa vào trong chuẩn IEC 61784 – một chuẩn mở rộng trên cơ sở IEC 61158 cho các hệ thống sản xuất công nghiệp. Với sự ra đời của các chuẩn mới IEC 61158 và IEC 61784 gần đây, PROFIBUS không chỉ dừng lại là một hệ thống truyền thông, mà còn được coi là một công nghệ tự động hóa. PROFIBUS định nghĩa ba loại giao thức là PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP, PROFIBUS-PA. 1.4.2 CAN CAN (Controller Area Network) xuất phát là một phát triển chung của hai hãng Bosch và Intel phục vụ việc nối mạng trong các phương tiện giao thông cơ giới để thay thế cách nối điểm-điểm cổ điển, sau được chuẩn hóa quốc tế trong ISO 11898. 1.4.3 DEVICENET DiviceNet là một thệ thống bus được hãng Allen-Bradley phát triển dựa trên cơ sở của CAN, dùng nối mạng cho các thiết bị đơn giản ở cấp chấp hành. Sau này, chuẩn DeviceNet đã được chuyển sang dạng mở dưới sự quản lý của hiệp hội ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) và được dự thảo chuẩn hóa IEC 62026-3. 1.4.4 MODBUS Modbus là một giao thức do hãng Modicon (sau này thuộc AEG và Schneider Automation) phát triển. Theo mô hình ISO/OSI thì Modbus thực chất là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy có thể được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP/IP, MAP (Manufacturing Message Protocol), Modbus Plus và ngay cả qua đường truyền nối tiếp RS-232. Các chế độ truyền dẫn của Modbus gồm có ASCII, RTU. 1.4.5 INTERBUS Interbus là một phát triển của hãng Phoenix Contact, nhưng đã nhanh chóng thành công trên cả phương tiện ứng dụng và chuẩn hóa. Ưu thế đặc biệt của INTERBUS là khả năng kết mạng nhiều chủng loại thiết bị khác nhau và giá thành vừa phải, trong khi các đặc tích thời gian không thua kém các hệ thống khác. INTERBUS có thể dùng xuyên suốt cho một hệ thống phân tán phức tạp, không phụ thuộc vào mô hình phân cấp. Tuy nhiên, trọng tâm ứng dụng của INTERBUS nằm ở cấp chấp hành trong các hệ thống tự động hóa xí nghiệp, vì vậy được xếp vào phạm trù bus cảm biến/chấp hành. Đặc biệt, kết hợp với xu hướng điều khiển dùng máy tính cá nhân, INTERBUS là một giải pháp rất đáng quan tâm. 1.4.6 AS-I 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 chấp hành số với cấp điều khiển. Từ một thực tế là hơn 80% 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 đáp ứng được yêu cầu về giá thành thấp cũng như lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng đơn giản. 1.4.7 ETHERNET Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Thực chất Ethernet chỉ là mạng cấp dưới (lớp vật lý và một phần lớp liên kết dữ liệu), vì vậy có thể sử dụng các giao thức khác nhau ở phía trên, trong đó TCP/IP là tập giao thức được sử dụng phổ biến nhất. Tuy vậy, mỗi nhà cung cấp sản phẩm có thể thực hiện giao thức riêng hoặc theo một chuẩn quốc tế cho giải pháp của mình trên cơ sở Ethernet. Các hệ thống bus tiêu biểu khác: Foundation Fieldbus High Speed Ethernet Industrial Ethernet CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BÀI TOÁN MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP 2.1 ĐẶT BÀI TOÁN Thiết kế hệ thống điều khiển – giám sát mạng truyền thông công nghiệp sử dụng PLC S7-200 và biến tần MicroMaster 420 của SIEMENS: PLC Master: khởi động, dừng hệ thống. Điều khiển giám sát PLC Slave1, PLC Slave2 thông qua chuẩn truyền thông Modbus và USS. PLC Slave1: Được điều khiển bởi PLC Slave2 và PLC Master thông qua chuẩn truyền thông Modbus, hoạt động với 2 chế độ auto và manual. Điều khiển biến tần 1 và biến tần 2, điều khiển động cơ hoạt động với các cấp tốc độ khác nhau theo chuẩn truyền thông USS. PLC Slave2: Được điều khiển bởi PLC Slave1 và PLC Master thông qua chuẩn truyền thông Modbus, hoạt động với 2 chế độ auto và manual. Điều khiển biến tần 3 và biến tần 4, điều khiển động cơ hoạt động tuần tự thông qua chuẩn truyền thông USS. 2.2. MẠNG TRUYỀN THÔNG MODBUS 2.2.1 Cơ chế giao tiếp Cơ chế giao tiếp ở Modbus phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp. Cụ thể, có thể phân chia ra hai loại là mạng Modbus chuẩn và Modbus trên các mạng khác (ví dụ TCP/IP, Modbus Plus, MAP). Mạng Modbus chuẩn Các cổng modbus chuẩn trên các bộ điều khiển của Modicon cũng như một số nhà sản xuất khác sử dụng giao diện nối tiếp RS-232. Các bộ phận điều khiển này có thể được nối mạng trực tiếp hoặc qua Modem. Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ/tớ (Master/Slave), trong đó chỉ một thiết bị chủ có thể chủ động gửi yêu cầu, còn các thiết bị tớ sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả lại hoặc thực hiện một hành động nhất định theo như yêu cầu. Các thiết bị chủ thông thường là các máy tính điều khiển trung tâm và các thiết bị lập trình, trong khi các thiết bị tớ có thể là PLC hoặc các bộ điều khiển số chuyên dụng khác. Một trạm chủ có thể gửi thông báo yêu cầu tới riêng một trạm tớ nhất định, hoặc gửi thông báo đồng loạt (broadcast) tới tất cả các trạm tớ. Chỉ trong trường hợp nhận được yêu cầu riêng, các trạm tớ mới gửi thông báo đáp ứng trả lại trạm chủ. Trong một thông báo yêu cầu có chứa địa chỉ trạm nhận, mã hàm dịch vụ bên nhận cần thực hiện, dữ liệu đi kèm và thông tin kiểm lỗi. Modbus trên các mạng khác Với một số mạng như Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cho lớp ứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó. Ví dụ giao tiếp tay đôi (Peer to peer), mỗi bộ điều khiển có thể đóng vai trò là chủ hoặc tớ trong các lần giao dịch (một chu kỳ yêu cầu - đáp ứng) khác nhau. Một trạm có thể cùng một lúc có quan hệ logic với nhiều đối tác, vì vậy nó có thể đồng thời đóng vai trò là chủ và tớ trong các giao dịch khác nhau. Nhìn nhận ở mức giao tiếp thông báo, giao thức Modbus vẫn tuân theo nguyên tắc chủ/tớ mặc dù phương pháp giao tiếp mạng cấp thấp có thể là tay đôi. Khi một bộ điều khiển gửi một yêu cầu thông báo thì nó sẽ đóng vai trò là chủ và đợi đáp ứng từ một thiết bị tớ. Ngược lại, một bộ điều khiển sẽ đóng vai trò là tớ nếu nó nhận được thông báo yêu cầu từ một trạm khác và phải gửi trả lại đáp ứng. Chu trình yêu cầu - đáp ứng Một thông báo yêu cầu bao gồm các phần sau: Địa chỉ trạm nhận yêu cầu (0-247), trong đó 0 là địa chỉ gửi đồng loạt. Mã hàm gọi chỉ thị hành động trạm tớ cần thực hiện theo yêu cầu. Ví dụ mã hàm 03 yêu cầu trạm tớ đọc nội dung các thanh ghi lưu trữ và trả lại kết quả. Dữ liệu chứa các thông tin bổ sung mà trạm tớ cần cho việc thực hiện hàm được gọi. Trong trường hợp đọc thanh ghi, dữ liệu này chỉ rõ thanh ghi đầu tiên và số lượng các thanh ghi cần đọc. Thông tin kiểm lỗi giúp trạm tớ kiểm tra độ vẹn toàn của nội dung thông báo nhận được. Hình 2.1 Chu trình yêu cầu đáp ứng 2.2.2 Chế độ truyền Chế độ ASCII Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn giao tiếp với chế độ ASCII (American Standard Code for Information Interchange), mỗi byte trong thông báo được gửi thành hai ký tự ASCII 7 bit, trong đó mỗi ký tự biểu diễn một chữ số hex. Ưu điểm của chế độ truyền này là nó cho phép một khoảng thời gian trống tối đa một giây giữa hai ký tự mà không gây ra lỗi. Cấu trúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau: Bảng 2.1 Chế độ ASCII Mỗi ký tự khung bao gồm: 1 bit khởi đầu (start bit) 7 bit biểu diễn một chữ số hex của byte cần gửi dưới dạng ký tự ASCII (0-9 và A-F), trong đó bit cấp thấp nhất được gửi đi trước. 1 bit parity chẵn/lẻ, nếu sử dụng parity 1 bit kết thúc (Stopbit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng parity Chế độ RTU Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn được đặt chế độ RTU (Remote Terminal Unit), mỗi byte trong thông báo được gửi thành một ký tự 8 bit. Ưu điểm chính của chế độ truyền này so với chế độ ASCII là hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên, mỗi thông báo phải được truyền thành một dòng liên tục. Cấu trúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau: Bảng 2.2 Chế độ RTU Mỗi ký tự khung bao gồm: 1 bit khởi đầu (start bit) 8 bit của byte thông báo cần gửi, trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước 1 bit parity chẵn/lẻ nếu sử dụng parity - 1 bit kết thúc (stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng parity. 2.3 CÁC GIAO THỨC VÀ CHUẨN TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG 2.3.1 Chuẩn truyền thông RS-232 Như đã nói ở trên RS-232 (tương ứng với chuẩn châu Âu là CCITT V.24) là chuẩn truyền thông kết nối theo dạng point to point (điểm - điểm) và sử dụng phương thức truyền hai chiều toàn phần. Khoảng cách truyền không quá 15m và tốc độ truyền dưới 20Kb/s. Hình 2.2 Truyền thông RS 232 Chế độ làm việc Chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là hai chiều toàn phần, tức là hai thiết bị tham gia cùng có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc. Như vậy, việc thực hiện truyền thông cần tối thiểu 3 dây dẫn trong đó hai dây tín hiệu nối chéo các đầu thu phát của hai trạm và một dây đất. Đặc tính điện học RS-232 sử dụng phương thức truyền không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Mức điện áp được sử dụng dao động trong khoảng từ -15V tới 15V. Khoảng từ 3V đến 15V ứng với giá trị logic 0, khoảng từ -15V đến -3V ứng với giá trị logic 1. Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn. Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ tới tốc độ 19,2kBd (chiều dài cho phép 30-50m). Gần đây, sự tiến bộ trong vi mạch đã góp phần nâng cao tốc độ của các modem lên nhiều lần so với ngưỡng 19,2kBd. Hiện nay đã có những mạch thu phát đạt tốc độ 460kBd và hơn nữa, tuy nhiên tốc độ truyền dẫn thực tế lớn hơn 115.2kBd theo chuẩn RS-232 trong một hệ thống làm việc dựa vào ngắt là một điều khó có thể thực hiện. Một ưu điểm của chuẩn RS-232 là có thể sử dụng công suất phát tương đối thấp, nhờ trở kháng đầu vào hạn chế trong phạm vi từ 3-7kΩ. Bảng 2.3 Các thông số quan trọng của RS-232 Thông sô Điều kiện Tối thiểu Tối đa Điện áp đầu ra hở mạnh 25v Điện áp đầu ra có tải 3KΩ ≤ R1 ≤ 7KΩ 5v 15v Trở kháng đầu ra khi cắt nguồn -2V ≤ V0 ≤ 2V 300Ω Dòng ra ngắn mạch 500mA Điện dung tải 2500pF Trở kháng đầu vào -3V ≤ V1 ≤ 25V 3KΩ 7KΩ Ngưỡng cho giá trị logic 0 3V Ngưỡng cho giá trị logic 1 -3V Giao diện cơ học Chuẩn EIA/TIA-232F qui định ba loại giắc cắm RS-232 là DB-9 (chín chân), DB-25 (25 chân) và ALT-A (26 chân), trong đó hai loại đầu được sử dụng rộng rãi hơn. Loại DB-9 cũng đã được chuẩn hóa riêng trong EIA/TIA-574. Trên hình 2.3 là sơ đồ giắc cắm loại 9 chân cũng như chiều các tín hiệu ghép nối giữa một DTE và một DCE. Ý nghĩa của các chân quan trọng được mô tả dưới đây: RxD (Receive Data): Đường nhận dữ liệu TxD (Transmit Data): Đường gửi dữ liệu DTR (Data Terminal Ready): Chân DTR thường ở trạng thái ON khi thiết bị đầu cuối sẵn sàng thiết lập kênh truyền thông. Qua việc giữ mạch DTR ở trạng thái ON, thiết bị đầu cuối cho phép DCE của nó ở chế độ “tự trả lời” chấp nhận lời gọi không yêu cầu. Mạch DTR ở trạng thái OFF chỉ khi thiết bị đầu cuối không muốn DCE của nó chấp nhận lời gọi từ xa (chế độ cục bộ). DSR (Data Set Ready, DCE Ready): Cả hai modem chuyển mạch DSR sang ON khi một đường truyền thông đã được thiết lập giữa hai bên. Hình 2.3 Sơ đồ giắc cắm loại 9 chân DCD (Data Carrier Detect): Chân DCD được sử dụng để kiểm soát truy nhập đường truyền. Một trạm nhận tín hiệu DCD là OFF sẽ hiểu là trạm đối tác chưa đóng mạch yêu cầu gửi dữ liệu (chân RTS) và vì thế có thể đoạt quyền kiểm soát đường truyền nếu cần thiết. Ngược lại, tín hiệu DCD là ON chỉ thị bên đối tác đã gửi tín hiệu RTS và giành quyền kiểm soát đường truyền. RTS (Request To Send): Đường RTS kiểm soát chiều truyền dữ liệu. Khi một trạm cần gửi dữ liệu, nó đóng mạch RTS sang ON để báo hiệu với modem của nó. Thông tin này cũng được chuyển tiếp tới modem xa. CTS (Clear To Send): Khi CTS chuyển sang ON, một trạm được thông báo rằng modem của nó đã sẵn sang nhận dữ liệu từ trạm và kiểm soát đường điện thoại cho việc truyền dữ liệu đi xa. RI (Ring Indicator): Khi modem nhận được một lời gọi, mạch RI chuyển ON/OFF một cách tuần tự với chuông điện thoại để báo hiệu cho trạm đầu cuối. Tín hiệu này chỉ thị rằng một modem xa yêu cầu thiết lập liên kết dial-up. Giao thức USS và các lệnh trong giao thức (USS Protocol) Giao thức USS là giao thức nối tiếp được SIEMENS xây dựng để sử dụng cho việc kết nối truyền thông giữa PLC S7-200 với các biến tần MicroMaster MM420/MM440 của hãng. Cáp truyền thông giữa PLC với biến tần theo chuẩn RS-485. Hình 2.4 Cáp truyền thông giữa PLC với biến tần theo chuẩn RS-485. Các lệnh giao thức Lệnh USS-INIT Lệnh USS_INIT được sử dụng để cho phép thiết lập hoặc không cho phép truyền thông với các MM. Trước khi bất kỳ một lệnh USS nào khác được sử dụng, lệnh USS_INIT phải thực hiện trước mà không được xảy ra lỗi nào. Khi lệnh thực hiện xong và bit Done đươck set lên ngay lập tức trước khi thực hiện lệnh kế tiếp. Lệnh này được thực hiện ở mỗi vòng quét khi đầu vào EN được tác động. Thực hiện lệnh USS_INIT chỉ 1 lần cho mỗi sự thay đổi trạng thái truyền thông. Sử dụng lệnh chuyển đổi dương tạo 1 xung ở đầu vào EN. Khi thay đổi giá trị ban đầu các tham số sẽ thực hiện 1 lệnh USS_INIT mới. Giá trị cho đầu vào Mode lựa chọn giao thức truyền thông. Đầu vào có giá trị 010 sẽ ấn định Port 0 dùng cho giao thức USS và chỉ cho phép làm việc theo giao thức này. Nếu đầu vào có giá trị 000 sẽ ấn định Port 0 dùng cho giao thức PPI và không cho phép làm việc theo giao thức USS. Tốc độ truyền được đặt ở các giá trị: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 và 115200(baud). Đầu vào Active dùng để xác định địa chỉ của Drive. Chỉ hỗ trợ số địa chỉ Drive, từ 0-30. Các tham số sử dụng trong lệnh USS_INIT. Kiểu dưc liệu và toán hạng của đầu vào/ra trong lệnh USS_INIT. lệnh USS-CTRL Lệnh USS_CTRL được sử dụng để điều khiển hoạt động của biến tần. Lệnh này được đưa vào bộ đếm truyền thông, từ đây, lệnh được gửi tới địa chỉ của biến tần, nếu địa chỉ đã được xác định ở tham số Active trong lệnh USS_INIT. Chỉ 1 lệnh USS_CTRL được ấn định cho 1 Drive. Bit EN phải đươc set lên mới cho phép lệnh USS_CTRL thực hiện. Lệnh này luôn ở mức cao( mức cho phép). RUN (RUN/STOP) cho thấy Drive là On hoặc Off. Khi bit RUN ở mức cao, MM nhận lệnh khởi động ở tốc độ danh định và theo chiều đã chọn trước. Để Drive là việc, các điều kiện phải theo đúng như sau: Địa chỉ Drive phải được lựa chọn từ đầu vào Active trong lệnh USS_INIT. Đầu vào OFF2 và OFF3 phải được set ở 0. Các đầu ra Fault và Inhibit phải là 0. Khi đầu vào RUN là OFF, một lệnh được chuyển đến MM để điều khiển giảm tốc độ động cơ xuống cho đến khi động cơ dừng. Đầu vào OFF2 được sử dụng để cho phép điều khiển MM dừng với tốc độ chậm. Đầu vào OFF3 được sử dụng để cho phép điều khiển MM dừng với tốc độ nhanh. Bit Resp_R báo nhận phản hồi từ Drive. Tất cả các hoạt động của MM được thăm dò thông tin trạng thái. Tại mỗi thời điểm, S7-200 nhận một phản hồi từ Drive, bit Resp_R được set lên và tất cả giá trị tiếp theo được cập nhật. Bit F_ACK( Fault Anowledge) được sử dụng để nhận biết lỗi từ Drive. Các lỗi của Drive đươc xóa khi F_ACK chuyển từ 0 lên 1. Bit Dỉr (Direction) xác định hướng quay mà MM sẽ điều khiển. Đầu vào Drive (Drive address) là địa chỉ của MM mà lệnh USS_CTRL điều khiển tới địa chỉ hợp lệ từ 0 đến 31. Đầu vào Type (Dirive type) dùng để lựa chọn kiểu MM. Đối với thế hệ MM3 (hoặc sớm hơn) đầu vào Type được đặt 0; còn với MM4 giá trị đặt là 1. Speed_SP (speed setpoint): là tốc độ cần đặt theo tỉ lệ phần trăm. Các giá trị ân sẽ làm động cơ quay theo chiều ngược lại. Phạm vi đặt: -200% ÷ 200% Error: là 1 byte lỗi chứ kết quả mới nhất của yêu cầu truyền thông đến Drive. Status: là 1 word thể hiện giá trị phản hồi ừ biến tần. Speed: là tốc độ động cơ theo tỉ lệ phần trăm. Phạm vi: -200% ÷ 200%. D-Dir: cho biết hướng quay. Inhibit: cho biết trạng thái của th inhibit bit on the drive (0-not inhibit, 1-inhibit). Để xóa bit inhibit này, bit Fault phải trở về OFF, và các đầu vào Run, Off2, Off3 cũng phải trở về OFF. Fault: cho biết tình trạng của bit lỗi (0-không có lỗi, 1-lỗi). Drive dẽ hiển thị mã lỗi. Để xóa bit Fault, cần phải chữa lỗi xảy ra lỗi và set bit F_ACK. Lệnh USS_RPM_x Có 3 lệnh đặt cho giao thữ USS USS_RPM_D: là lệnh đọc một tham số Douple Word. USS_RPM_R: là lệnh đọc một tham số thực. USS_RPM_x: hoàn thành việc thực hiện lệnh khi MM nhận biết cách thực hiện lệnh, hoặc khi lỗi một trạng thái được thông báo. Vòng quét vẫn tiếp tục thực hiện trong chương trình chờ sự phản hồi. Bit EN phải được set để cho phép truyền đi các yêu cầu, và nên giữ lại ở trạng thái đó cho đến bit Done được set lên – tín hiệu hoàn thành quá trình. Đầu vào Drive la địa chỉ của MM mà lệnh USS_RPM_X được chuyển toái địa chỉ hợp lệ là 0 đến 31 Param là số tham số (là giá trị cần đọc từ MM) Index là con trỏ chỉ vào giá trị để đọc Value là giá trị thông số phản hồi Đầu vào DB_PRT dược cung cấp bởi địa chỉ của bộ đếm 16 byte . trong lệnh USS_RPM_X bộ đếm này dùng chứa kết quả của lệnh đưa đến từ MM. Lệnh USS_WPM_X Có 3 lệnh ghi cho giao thức USS: USS_WPM_W :là lệnh ghi một tham số WORD USS_WPM_D: là lệnh ghi một tham số Double Word USS_WPM_R:là lệnh ghi một tham số thực. Bit EN phải được set để cho phép truyền đi các yêu cầu và nên giữ lại ở trang thái đó cho đén kho bit Done được set lên – tín hiệu hoàn thành quá trình. Do đó đầu vào XMT_REQ nên được kích xung khi nhận được sườn xung lên để truyền một yêu cầu cho mỗi chuyến tiếp dương của đầu vào EN . Đầu vào Drive là địa chỉ của MM mà lệnh USS_WPM_X được chuyển tới địa chi hợp lệ là 0 đến 31. Param là số tham số. Index là biến chỉ vào giá trị để lọc. Value là giá trị của thông số cần ghi đến bộ nhớ RAM trong biến tần. Đối với MM3 cũng có thể ghi giá trị này vào EEPROM, bầng cách cài đặt ở tham số P971. Đầu vào DB_Ptr được cung cấp bởi địa chỉ của bộ đếm 16 byte .trong lệnh USS-WPM_X bộ đếm này dùng chứa kết quả của lệnh đưa đến từ MM. 2.3.3 Chuẩn truyền thông RS-485 Chuẩn PROFIBUS theo IEC 61158 qui định các đặc tính điện học và cơ học của giao diện RS-485 cũng như môi trường truyền thông, trên cơ sở đó các ứng dụng có thể lựa chọn các thông số thích hợp. Các đặc điểm chung của RS-485 Tốc độ truyền thông từ 9.6 kbit/s đến 12Mbit/s. Cấu trúc đường thẳng kiểu đường trục/đường nhánh (trunk-line/drop-line) hoặc daisy-chain, trong đó các tốc độ truyền từ 1,5Mbit/s trở lên yêu cầu cấu trúc daisy-chain. Cáp truyền được sử dụng là đôi dây xoắn có bảo vệ (STP). Hiệp hội PI khuyến cáo dùng loại cáp A. Trở kết thúc có dạng tin cậy (fail-safe biasing) với các điện trở lần lượt là 3900Ω-220Ω-390Ω. Chiều dài tối đa của một đoạn mạng từ 100 đến 1200m, phụ thuộc vào tốc độ truyền được lựa chọn. Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài tối đa của một mạng được tóm tắt trong bảng dưới đây. Số lượng tối đa các trạm trong mỗi đoạn mạng là 32. Có thể dùng tối đa 9 bộ lặp tức 10 đoạn mạng. Tổng số trạm tối đa trong một trạm là 126. Chế độ truyền tải không đồng bộ và hai chiều không đồng thời. Phương pháp mã hóa bit NRZ. Bảng 2.4 Mã hóa bit NRZ 2.4 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC S7-200 VÀ BIẾN TẦN MICROMASTER 420 CỦA HÃNG SIEMENS 2.4.1 PLC S7-200 Giới thiệu về PLC Hình 2.5 Sơ đồ khối PLC Thiết bị điều khiển Logic khả trình PLC (Programmable Logic Control) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng các mạch số. Như vậy với chương trình điều khiển trong mình. PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ dàng trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (Với các PLC khác hoặc với máy tính). Toàn bộ chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ PLC dưới dạng các khối chương trình con hoặc chương trình ngắt. Trong trường hợp dung lượng nhớ của PLC không đủ cho việc lưu trữ chương trình thì ta có thể sử dụng thêm bộ nhớ ngoài hỗ trợ cho việc lưu chương trình và lưu dữ liệu (Catridge). Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, một bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên là phải có các cổng vào ra để giao tiếp với các đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó nhằm phục vụ các bài toán điều khiển số, PLC còn cần phải có thêm những khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ định thời gian (Timer), Và những khối hàm chuyên dụng. Bộ nhớ PLC: Gồm 3 vùng chính. Vùng chứa chương trình ứng dụng: Vùng chứa chương trình được chia thành 3 miền. OB1: miền chứa chương trình tổ chức, chứa chương trình chính, các lệnh trong khối này luôn được quét. Subroutine (Chương trình con): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và có thể biến hình thức để trao đổi dữ liệu, chương trình con này sẽ thực hiện khi nó được gọi trong chương trình chính. Interrup (Chương trình ngắt): Miền chứa chương trình ngắt, được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ 1 khối chương trình nào khác. Chương trình này sẽ được thực hiện khi có sự kiện ngắt xảy ra. Có rất nhiều sự kiện ngắt như: ngắt thời gian, ngắt xung tốc độ cao Vùng chứa tham số của hệ điều hành: Chia thành 5 miền khác nhau I (Process image input): Miền dữ liệu các cổng vào số, trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I. Thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm I. Q (Process Image Output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số. Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chúng tới bộ đệm Q. M (Miền các biến cờ): Chương trình ứng dụng sử dụng những biến này để lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo bit (M), byte (MB), từ (MW) hay từ kép (MD). T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lưu trữ giá trị thời gian đặt trước (PV-Preset Value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV-Current Value) cũng như giá trị Logic đầu ra của bộ thời gian. C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu giá trị đặt trước (PV-Preset Value), giá trị đếm tức thời (CV-Curren Value) và giá trị logic đầu ra của bộ đệm. Vùng chứa các khối dữ liệu: Được chia làm 2 loại: DB(Data Block): Miền chứa dữ liệu được tổ chức thành khối. Kích thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán điều khiển. Chương trình có thể truy nhập miền này theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW) hoặc từ kép (DBD). L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình OB1, chương trình con, chương trình ngắt tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình gọi nó. Nội dung của một khối dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xóa khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB1, chương trình con, chương trình ngắt. Miền này có thể được truy nhập từ chương trình theo bit (L), byte (LB) từ (LW) hoặc từ kép (LD). Vòng quét chương trình PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương trình thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB (Block End). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào ra tương tự nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua bộ đệm. Thời gian cần thiết để PLC thực hiện 1 vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan Time). Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện và khối dữ liệu truyền thông trong vòng quét đó. Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lí, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển đến đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét. Nói cách khác thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao. Các loại PLC S7-200 thông thường: CPU222, CPU224, CPU224XP (có 1 cổng giao tiếp), CPU226 (có 2 cổng giao tiếp). Thông thường S7-200 được phân ra 2 loại chính: Loại cấp điện áp 220VAC Ngõ vào: tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (15VDC-30VDC) Ngõ ra: Ngõ ra rơ le Ưu điểm của loại này là ngõ ra rơ le, do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp (có thể sử dụng ngõ ra 0V, 24V, 220V,). Tuy nhiên nhược điểm của nó do ngõ ra rơ le nên thời gian đáp ứng của rơ le không được nhanh cho ứng dụng điều rộng xung, hoặc Output tốc độ cao Loại cấp điện áp 24VDC Ngõ vào: tích hợp mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (15VDC-30VDC) Ngõ ra: Ngõ ra transistor Ưu điểm của loại này là để điều rộng xung hoặc Output tốc độ cao Tuy nhiên nhược điểm của nó là do ngõ ra transistor nên chỉ có một cấp điện áp duy nhất là +24VDC. Vì vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng có cấp điện áp ra là 0VDC, trong trường hợp này buộc ta phải thông qua 1 rơ le 24VDC đệm. Các khối trong S7-200 Siemens Khối Program Block: Có 3 khối chính Khối Main (OB1): là khối chứa chương trình chính, và luôn được quét trong mỗi chu kỳ quét, là khối chính trong việc thiết kế chương trình. Khối chương trình con: Là khối chứa chương trình con, khối này sẽ được thực thi khi nó được gọi trong chương trình chính. Khối chương trình ngắt: là khối chứa chương trình ngắt, khối này sẽ được thực thi khi có sự kiện ngắt xảy ra. Trong một chương trình, luôn mặc định có một chương trình chính Main, chương trình con SBR_0, và chương trình ngắt INT_0, tuy nhiên ta có thể thêm một hoặc nhiều chương trình con hay chương trình ngắt cũng như có thể xóa nó khi không cần thiết bằng cách Click chuột phải, rồi chọn Insert Subroutine hay Interrupt. Khối Data Block: Khối chứa dữ liệu của một chương trình, ta có thể định dạng trước dữ liệu cho khối này, và khi Download xuống PLC, thì toàn bộ dữ liệu này sẽ được lưu trong bộ nhớ. Khối System Block: Có 10 khối chính. Communication ports: Định dạng cho cổng giao tiếp bao gồm: Địa chỉ PLC (PLC Address), địa chỉ mặc định cho PLC là 2, ta có thể thay đổi địa chỉ cho PLC khác 2. Việc định địa chỉ cho PLC đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối mạng. Ngoài ra trong Port giao tiếp ta cũng cần chọn tốc độ Baud cho việc truyền thông. Tốc độ Baud mặc định là 9600. Retentive Ranges: Trong S7-200 cho phép ta chọn 5 phân vùng có thể lưu trữ dữ liệu khi mất điện, nếu ta chọn vùng dữ liệu nào trong Retentive thì giá trị của vùng đó sẽ vẫn không thay đổi khi mất điện, ngược lại giá trị đó sẽ bị reset vê 0 khi mất điện. Password: S7-200 có 3 mức (Level Password): để bảo đảm bảo mật về bản quyền thông thường người dùng nên chọn mức Password cao nhất. Số kí tự trong Password tối đa là 8 kí tự. Trường hợp PLC đã cài Password thì người không có Password không thể upload chương trình từ PLC, nhưng ngược lại có thể Download chương trình mới xuống PLC bằng cách gõ Clearplc khi phần mềm hỏi password khi download, trường hợp khi ta gõ clearplc thì toàn bộ dữ liệu cũ sẽ hoàn toàn mất. Output table: Ngõ ra của PLC cho phép ta chọn trạng thái ON hay OFF khi PLC chuyển từ trạng thái RUN sang STOP, chế độ mặc định của phần mềm là tất cả trạng thái ngõ ra OFF khi chuyển trạng thái. Input Filter: S7-200 cho phép ta chọn thời gian lọc của các tín hiệu ngõ vào, thời gian lọc là thời gian mà ngõ vào phải không đổi trạng thái trong khoảng thời gian lọc đó thì PLC mới cho phép nhận trạng thái đó. Thời gian lọc mặc định là 6.4ms: Ngõ vào phải giữ ON trong khoảng thời gian >=6.4ms thì PLC mới hiểu ngõ vào đó lên 1. Pulse catch Bits: PLC cho phép người sử dụng chọn ngõ vào có thể bắt những tín hiệu nhanh khi chu kỳ quét chưa kịp quét. Tín hiệu đó sẽ được giữ cho tới khi chu kỳ quét được thực hiện. Configure Led: PLC cho phép ta định dạng trạng thái của Led System fault, hoặc led diagnostic, trạng thái Led này cho phép ta định dạng màu cam đỏ, khi chương trình gặp sự cố. Cách giao tiếp giữa máy tính và PLC: Để có thể giao tiếp giữa máy tính và PLC cho thực hiện việc Download hoặc Upload cho PLC, ta phải thực hiện các bước sau: Chọn cổng giao tiếp: Trường hợp cáp giao tiếp là cáp USB thì cổng giao tiếp phải chọn USB, trường hợp cáp giao tiếp là cáp COM thì phải chọn đúng cổng giao tiếp của máy tính. Để có thể chọn cổng giao tiếp, vào mục Communication, chọn Set PG/PC Interface: Hình 2.6 Chọn cổng giao tiếp máy tính và PLC Sau đó chọn Properties của PC/PPI cable (PPI). Trong tab PPI: chọn đúng tốc độ Baud mặc định ở cáp cũng là 9600 (tốc độ Baud này chỉ áp dụng đối với cáp cổng COM), trên cáp USB cho phép ta chọn nhiều mức tốc độ Baud khác nhau. Hình2.7 Chọn Properties của PC/PPI cable (PPI) Trong phần Local Connection: cho phép ta chọn cổng COM. Hình 2.8 Chọn cổng COM Sau khi chọn cổng COM, bước kế tiếp là phải chọn địa chỉ PLC, thông thường địa chỉ mặc định của PLC là 2, nếu địa chỉ PLC khác 2 thì ta phải chọn địa chỉ đúng trước khi thực hiện việc Communication. Trường hợp nếu không biết địa chỉ PLC ta có thể thực hiện như sau: Hình 2.9 Chọn địa chỉ PLC Vào phần Communication, chọn Searh all baud rate sau đó double click vào phần “Double click to refresh, khi đó chương trình sẽ tự nhận địa chỉ PLC. Sau khi chọn xong cổng COM cũng như địa chỉ PLC, ta thực hiện việc Download cũng như Upload. Hình 2.10 Dowload, upload Chọn mũi tên xuống cho việc Download, mũi tên lên cho việc Upload. Vào CPU click chuôt phải, chọn Type. Chọn Read PLC, nếu liên thông được thì chương trình có thể đọc được loại PLC, còn không thì nó sẽ báo, ta phải chọn lại cổng COM cũng như địa chỉ PLC trong phần Communication. Hình 2.11 Đọc PLC Định dạng dữ liệu Kiểu Bool VD: Q0.0, I0.0, V2.3, M1.0, Một biến kiểu Bool chỉ có 2 giá trị là 0 hoặc 1 (True hoặc False). Đối với ngõ IN: Trạng thái mức 0: mức áp bé hơn 15VDC, hoặc ở trạng thái ngõ vào tổng trở cao. Trạng thái mức 1: 24V (15-30VDC): so với 0DC cấp cho chân M ở ngõ ra Input. Đối với ngõ OUT: Trạng thái mức 0: hở tiếp điểm hoặc ngõ ra tổng trở cao (High Z) Trạng thái mức 1: xuất 24V hoặc đóng tiếp điểm. Kiểu Byte 1 byte = 8 bit. Suy ra, giá trị 1 Byte trong khoảng: 0 – (28-1) hay 0-255 VD: QB0, MB1, VB10, SMB3 Kiểu Word 1 Word = 2 byte = 16 bit. Suy ra, giá trị 1 Word trong khoảng: 0-(216-1) VD: IW0, QW0, MW2, VW5, QW0 = QB0 + QB1, trong đó, QB0 là byte cao, QB1 là byte thấp. Kiểu Dword 1 Dword = 2 Word = 4 Byte = 32 Bit. Suy ra, giá trị 1 Word trong khoảng: 0-(232-1). VD: ID0, QD0, MD2, VD10, MD0 = MW0 + MW2 = MB0 + MB1 + MB2 + MB3, trong đó, MB0 là byte cao nhất, MB3 là byte thấp nhất. Kiểu Int: Số nguyên Một biến kiểu Int tương đương một Word, nghĩa là dung lượng của 1 biến kiểu Int cũng gồm 16 bit. Tuy nhiên, biến kiểu Int và Word cũng có những điểm khác nhau như sau: Biến kiểu Word là biến không dấu, biến kiểu Int có dấu (bit trọng số cao nhất là bit dấu). Giá trị 1 Word: 0-(216-1), giá trị một Int (-215) – (215-1) (do có 1 bit dấu). Định dạng một biến kiểu Word phải có 16# đứng đầu, còn Int thì không. VD: 16#1234, 16#ABCD: một Word 1,5,100,255, : một Int Kiểu DInt: Số nguyên Dung lượng của 1 biến kiểu DINT là 32 bit VD: 16#12345678, 16#ABCDABCD: một Word 1,5,100,250, : một Dint Kiểu Real: Số thực Một biến kiểu Real gồm 32 bit, nghĩa là vùng nhớ cũng là Dword. Định dạng: phải có dấu “.”Thập phân. VD: 1.5, 2.3, 5.5, 100.2, 2.4.2 Biến tần MicroMaster 420 Giới thiệu chung về biến tần Biến tần là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện có tần số f1 cố định thành nguồn điện có tần số fr thay đổi được nhờ các khóa bán dẫn. Biến tần được chia làm hai loại: Biến tần gián tiếp và biến tần trực tiếp. Biến tần gián tiếp hay còn gọi là biến tần có khâu trung gian một chiều, dùng bộ chỉnh lưu biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều, sau đó lại dùng bộ nghịch lưu biến đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều. Biến tần trực tiếp khác với biến tần gián tiếp, biến tần trực tiếp tạo ra điện áp trên tải bằng các phần của điện áp lưới, mỗi lần nối tải vào nguồn bằng một phần tử đóng ngắt duy nhất trong một khoảng thời gian nhất định, không thông qua một khâu năng lượng trung gian nào. Biến tần gián tiếp Biến tần gián tiếp được cấu tạo từ bộ chỉnh lưu, khâu lọc trung gian và bộ nghịch lưu. Tùy thuộc khâu trung gian một chiều làm việc ở chế độ nguồn dòng hay nguồn áp biến tần chia làm 3 loại chính: Biến tần nguồn dòng. Biến tần nguồn áp với nguồn có điều khiển. Biến tần nguồn áp không điều khiển. Khâu chỉnh lưu: biến đổi nguồn xoay chiều sang một chiều. Bộ lọc: để giảm bớt độ nhấp nhô của áp và dòng ở đầu ra của bộ chỉnh lưu. Khâu nghịch lưu: biến đổi điện áp một chiều để đặt vào động cơ (Thiết bị nghịch lưu có thể là Thyristor hoặc transistor công suất). Hình 2.5 Biến tần gián tiếp Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp là thiết bị biến đổi trực tiếp nguồn xoay chiều có tần số f1 sang nguồn xoay chiều có tần số fr. Hình 2.6 Biến tần trực tiếp Biến tần MicroMaster 420 Ưu điểm nổi bật Nhiều tính năng điều khiển linh hoạt. Giá thành của MM420 là lựa chọn hoàn hảo với người sử dụng. Các thông số MM420 Công suất: 0.37 – 11kW: điện áp 3 pha 380V – 480V 0.12 – 5.5 kW: điện áp 3 pha 220 – 240V 0.12 – 3 kW điện áp 1 pha 220 – 240V Điện áp ra: 1 pha 220V 3 pha 220V 3 pha 380V Tần số vào: 47 – 63Hz Tần số ra: 0 – 650Hz Cosφ>= 0.95 Hiệu suất chuyển đổi: 96-97% Khả năng quá tải: 1.5Iđm trong 60s ở mỗi 300s Dòng khởi động thấp hơn dòng điện vào định mức Các phương pháp điều khiển: Tuyến tính V/f, bình phương V/f, đa điểm V/f, V/f do người dùng lập trình Điều chế rộng độ xung: 16kHz ở 220V 1 pha hoặc 3 pha 4kHz ở 400V 3 pha 2 – 16kHz (bước chỉnh 2 kHz) Đầu vào số: 3 đầu vào số lập trình được, cách ly Đầu vào tương tự: 1 Chuẩn 0 – 10V Có thể dùng như đầu vào số thứ 4 Đầu ra rơle: 1 30VDC – 5A: tải trở 250VAC – 2A: tải cảm Đầu ra tương tự: 1 Chuẩn 0 – 20mA Cổng giao tiếp: Chuẩn RS-485, giao thức USS Hãm: 1 chiều và hỗn hợp IP: 20 Nhiệt độ làm việc: -10 – 50oC Nhiệt độ bảo quản: -40 - 70oC Độ ẩm: <95% 2.5 KHÁI QUÁT VỀ PHẦN MỀM WINCC, SỬ DỤNG PC ACCESS VÀ GIAO THỨC OPC ĐỂ KẾT NỐI S7-200 VỚI WINCC 2.5.1 Phần mềm WinCC (Windows Control Center) Giới thiệu phần mềm WinCC - Phần mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và lưu trữ dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa. - WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center (Trung tâm điều khiển chạy trên nền Windows), nói cách khác, nó cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập một giao diện điều khiển chạy trên các hệ điều hành của Microsoft như Windows NT hay Windows 2000, XP, Win 7. Do đó có tính chất mở và thường xuyên cập nhật, phát triển nên WinCC tương thích với nhiều phần mềm chuẩn tạo nên giao diện người và máy đáp ứng nhu cầu sản xuất. Chương trình được tích hợp nhiều ứng dụng, tận dụng dịch vụ của hệ điều hành làm cơ sở mở rộng hệ thống. Với WinCC, ta có thể sử dụng nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết công việc, từ việc xây dựng hệ thống có qui mô nhỏ và vừa khác nhau, cho tới việc xây dựng hệ thống có qui mô lớn như MES: Hệ thống quản lý việc thực hiện sản xuất – Manufacturing Excution Systems Tùy theo khả năng của người thiết kế cũng như các phần cứng hỗ trợ khác mà WinCC đã và đang được phát triển trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ứng dụng phổ biến của WinCC Khi một hệ thống dùng chương trình WinCC để điều khiển, thu thập dữ liệu từ quá trình, nó có thể mô phỏng bằng hình các sự kiện xảy ra trong quá trình điều khiển dưới dạng các chuỗi sự kiện. WinCC cung cấp nhiều hàm chức năng cho mục đích hiển thị, thông báo bằng đồ họa, xử lý thông tin đo lường, các tham số công thức, các bảng ghi báo cáo, đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày một phát triển và là một trong những chương trình ứng dụng trong thực tế. Các chức năng của WinCC Lập cấu hình hoàn chỉnh. Hướng dẫn giới thiệu về việc cấu hình. Thích ứng việc ấn định, gọi và lưu trữ các dự án. Quản lí các dự án. Có khả năng nối mạng và soạn thảo cho nhiều người sử dụng trong một project. Quản lí phiên bản. Diễn tả bằng đồ thị của dữ liệu cấu hình. Điều khiển và đặt cấu hình cho các hình vẽ/cấu trúc hệ thống. Thiết lập cấu hình toàn cục. Đặt cấu hình cho các chức năng định vị đặc biệt. Tạo và soạn thảo các tham khảo đan chéo. Phản hồi dữ liệu. Báo cáo trạng thái hệ thống. Thiết lập hệ thống đích. Chuyển giữa Runtime và cấu hình. Kiểm tra chế độ mô phỏng, trợ giúp thao tác để đặt cấu hình dữ liệu bao gồm: Dịch hình vẽ, mô phỏng tag, hiển thị trạng thái và thiết lập thông báo. 2.5.2 Kết nối S7-200 với WinCC Giao thức kết nối OPC Giới thiệu chung Dựa trên mô hình đối tượng thành phần (D)COM của hãng Microsoft, OPC định nghĩa thêm một số giao diện cho khai thác dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật, tạo cơ sở cho việc xây dựng các ứng dụng điều khiển phân tán mà không bị phụ thuộc vào mạng công nghiệp cụ thể. Trong thời điểm hiện nay, OPC cũng như COM tuy mới được thực hiện trên nền Windows, song đã có nhiều cố gắng để phổ biến sang các hệ điều hành thông dụng khác. Với mục đích ban đầu là thay thế cho các dạng phần mềm kết nối như trình điều khiển vào/ra (I/O-Drivers) và DDE, OPC qui định một số giao diện chuẩn cho các chức năng như: Khai thác, truy nhập dữ liệu quá trình (Data Access) từ nhiều nguồn khác nhau (PLC, các thiết bị trường/ bus trường, cơ sở dữ liệu,). Xử lý sự kiện và sự cố. Truy nhập dữ liệu quá khứ. Trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống công cụ phần mềm (Data Exchange). Cốt lõi của OPC là một chương trình phần mềm phục vụ gọi là OPC-Server, trong đó chứa các mục dữ liệu (OPC Item) được tổ chức thành các nhóm (OPC Group). Thông thường một OPC Server đại diện một thiết bị thu thập dữ liệu như PLC, RTU, I/O hoặc một cấu hình mạng truyền thông. Các OPC Items sẽ đại diện cho các biến quá trình, các tham số điều khiển, các dữ liệu trạng thái thiết bị ,Cách tổ chức này cũng tương tự như trong các hệ thống cơ sở dữ liệu quan hệ quen thuộc với các cấp là nguồn dữ liệu, bảng dữ liệu và trường dữ liệu. OPC và các công cụ phần mềm chuyên dụng Trong thực tế, có một cách sử dụng thứ ba, đơn giản và thuận tiện hơn nhiều so với hai cách trên là thông qua các công cụ phần mềm chuyên dụng. Có thể nói, bất cứ một công cụ SCADA hiện đại nào, bất cứ một hệ DCS hiện đại nào cũng hỗ trợ giao diện OPC. Sử dụng các công cụ này, người tích hợp hệ thống chỉ cần đăng ký các OPC-Server đi kèm thiết bị với hệ điều hành, sau đó khai báo bằng cách dò tìm trong mạng hoặc trên một trạm máy tính tên của Server với công cụ phần mềm. Việc còn lại là sử dụng các nhãn (tag name) giống như các nhãn quen thuộc trong hệ SCADA hoặc DCS. Phần mềm PC Access Do S7-200 không được cài sẵn drive với phần mềm WinCC nên cần có một chương trình trung gian để kết nối, PC Access là một trong những chương trình hỗ trợ được dùng phổ biến hiện nay. Các bước kết nối với PC Access: Vì PLC S7 200 không có driver , nên phải sử dụng một phần mềm PC ÁCCESS để tạo driver cho Win CC . Mở phần mềm V1 PC ACCESS, tạo một file mới ta vào File / New PLCàOk. Hình 2.12 Tạo file mới Để tạo nút nhấn và đèn báo trong PC ACCESS ta vào PLC1 à Click chuột phải chọn New Item à Name để viết tên à Address thay đổi miền nhớ ( các đầu vào là I ta dung miền nhớ là V0.0, V0.1 còn đầu ra là Q ta giư nguyên Q0.0, Q0.1 ) àOke. Hình 2.13 Tạo nút nhấn và thay đổi miền nhớ Khi đã cấu hình song ta có tất cả đầu vào và ra như sau. Hình 2.14 Các đầu vào ra khi đã cấu hình CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 3.1 LẮP ĐẶT THIẾT BỊ VÀ ĐẤU NỐI DÂY DẪN CHO MÔ HÌNH 3.1.1 Danh mục các thiết bị sử dụng trên mô hình Bảng 2.5 Danh mục và thông số thiết bị STT Tên thiết bị Số lượng Thông số kỹ thuật 1 Aptomat 3pha 1 C16 2 Aptomat 1 pha 1 C10 3 Đèn báo 17 220V-5A 4 Nút nhấn 13 5 Switch chuyển mạch 2 6 Động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha 4 380V-1.74A-0.37Kw 7 PLC S7-200 CPU226 3 AC/DC/Relay 8 Biến tần Siemens MM420 4 220V-380V, 2.1-6.2A 9 Dây điều khiển 30m 1C*1.0mm 10 Dây mạch lực và dây trung tính 20m 1C*2.5mm 3.1.2 Lắp đặt thiết bị Hình 3.1 Sơ đồ bố trí thiết bị (Phụ lục 1 – Các bản vẽ ) Hình 3.2 Sơ đồ nối dây (Phụ lục 1 – Các bản vẽ ) Hình 3.3 Mô hình hoàn thành 3.2 Các bước cài đặt tham số biến tần Biến tần 1 và biến tần 3 Bước 1: Reset các tham số của biến tần: P0010: 30 P0970: 1 Bước 2: Bắt đầu cài đặt tham số của biến tần cho động cơ P0010: 1 (Bắt đầu cài đặt nhanh) P0304: 220 (Điện áp định mức của động cơ) P0305: 1.7 (Dòng điện định mức động cơ) P0307: 0.37 (Công suất định mức) P0311: 2755 (Tốc độ động cơ) P0700: 5 (USS trên đường truyền COM) P1000: 5 (USS trên đường truyền COM) P1080: 0 (Tần số nhỏ nhất) P1082: 50 (Tần số lớn nhất) P1120: 10 (Thời gian tăng tốc) P1121: 10 (Thời gian giảm tốc) P1135: 5 (Dừng khẩn cấp) P3900: 1 (Bắt đầu quá trình cài đặt nhanh) P0003: 3 (Truy nhập với cấp chuyên gia) P2010: 6 (Tốc độ Baud 9600) P2011: 0 (Địa chỉ của biến tần 1) P0971: 1 (Lưu giá trị cài đặt tham số vào vùng nhớ) Biến tần 2 và biến tần 4 Tương tự như cài đặt với biến tần 1 nhưng thay đổi tham số P2011 là 1. PHỤ LỤC 1 CÁC BẢN VẼ SƠ ĐỒ THIẾT KẾ Trong quá trình thực hiện làm đồ án, chúng em đã xây dựng được “ Mô hình điều khiển – giám sát hệ thống mạng truyền thông công nghiệp”, thiết kế được sơ đồ kết nối phần cứng, sơ đồ đi dây bộ điều khiển. Dưới đây là hình ảnh và các bản vẽ thiết kế mô hình của chúng em. Bản vẽ 1: Sơ đồ nguyên lý dây mạch điều khiển mạng truyền thông công nghiệp. Bản vẽ 2: Sơ đồ bố trí thiết bị. PHỤ LỤC 2 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN, GIAO DIỆN GIÁM SÁT HMI CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Chương trình lập trình Master Chương trình của PLC Slave 1 Chương trình Main Chế độ Auto của Slave 1 (Subroutine 1) Chế độ Manual của Slave 1 (Subroutine 2) Chương trình của PLC Slave 2 Chương trình Main: Chế độ auto của slave 2 (Subroutine 1) Chế độ Manual của slave 2 (Subroutine 2) GIAO DIỆN GIÁM SÁT HMI PHỤ LỤC 3 QUY TRÌNH VẬN HÀNH MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN - GIÁM SÁT HỆ THỐNG MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP Bước 1: Đóng ATM cấp nguồn cho mạch lực và mạch điều khiển,lúc này đèn báo 3 pha và các đèn báo dừng hệ thống (STOP) và dừng động cơ (OFF) sáng. Bước 2: Ấn Start trên bảng điều khiển Master để khởi động hệ thống lúc này đèn báo dừng hệ thống (STOP) tắt và đèn báo hệ thống hoạt động (START) sáng. Bước 3: Vận hành PLC Slave1. Chế độ Auto: Ấn ON2 kích hoạt biến tần 4 điều khiển động cơ 4 hoạt động, đèn ON 4 sáng và đèn OFF 4 tắt. Sau khi động cơ 4 đạt tốc độ tối đa tương ứng với 50Hz thì biến tần 3 tự động kích hoạt điều khiển động cơ 3 hoạt động, lúc này đèn ON 3 sáng và đèn OFF 3 tắt. Đến khi động cơ 3 đạt tốc độ cực đại, sau một khoảng thời gian là 10 giây thì động cơ 3 dừng, khi động cơ 3 đã dừng hẳn thì động cơ 4 mới được phép dừng và kết thúc một chu trình hoạt động. Khi hệ thống đang hoạt động mà xảy ra sự cố thì ta ấn nút EMG để dừng khẩn cấp toàn bộ hệ thống. Lúc này đèn dừng hệ thống STOP và đèn báo dừng động cơ OFF 1, OFF 2, OFF 3, OFF 4 sáng đồng thời đèn báo khởi động hệ thống START, đèn báo động cơ ON 1, ON 2, ON 3, ON 4 tắt. Chế độ Manual: Nhấn ON2 kích hoạt biến tần 4 điều khiển động cơ 4 hoạt động, đèn ON 4 sáng và đèn OFF 4 tắt. Sau khi động cơ 4 đạt tốc độ cực đại 50Hz ta ấn ON1 thì động cơ 3 mới được phép hoạt động, lúc này đèn ON 3 sáng và đèn OFF 3 tắt. Để dừng động cơ ta lần lượt ấn OFF1 và OFF2 để lần lượt dừng động cơ 3 và động cơ 4. Hoặc ấn nút OFF để dừng chế độ ( AUTO hoặc MANUAL) đèn báo dừng động cơ OFF 3, OFF 4 sáng đồng thời đèn báo động cơ ON 3, ON 4 tắt. Khi xảy ra sự cố, ấn EMG để dừng khẩn cấp toàn bộ hệ thống. Lúc này đèn dừng hệ thống STOP và đèn báo dừng động cơ OFF 1, OFF 2, OFF 3, OFF 4 sáng đồng thời đèn báo khởi động hệ thống START, đèn báo động cơ ON 1, ON 2, ON 3, ON 4 tắt. Bước 4: Vận hành PLC Slave 2: Chế độ Auto: Ấn Start kích hoạt biến tần 1 và biến tần 2 điều khiển tốc độ động cơ 1 và động cơ 2 đèn báo động cơ ON 1, ON 2 sáng, đèn báo dừng động cơ ON 1, ON 2 tắt. ở tần số 10Hz sau một khoảng thời gian cả hai động cơ tự động tăng tốc lên 20Hz, 30Hz, 40Hz và 50Hz. Sau khi tốc độ động cơ ổn định ở mức 50Hz thì tốc độ bắt đầu giảm xuống 40Hz, 30Hz, 20Hz, 10Hz cho đến khi dừng hẳn và kết thúc một chu kỳ hoạt động. Các chu trình hoạt động tiệp theo se hoạt động sau 3 giây lúc nầy động cơ 1 và 2 lại tiếp tục tự động hoạt động. Chu trình sẽ lặp đi lặp lại liên tục như vậy. Khi có sự cố thì ta ấn nút dừng khẩn cấp EMG để dừng toàn bộ hệ thống. . Lúc này đèn dừng hệ thống STOP và đèn báo dừng động cơ OFF 1, OFF 2, OFF 3, OFF 4 sáng đồng thời đèn báo khởi động hệ thống START, đèn báo động cơ ON 1, ON 2, ON 3, ON 4 tắt. Chế độ Manual: Nhấn START kích hoạt biến tần 1,2 điều khiển động cơ 1,2 hoạt động, đèn ON 1,ON 2 sáng và đèn OFF 1, OFF 2 tắt. ấn UP hoặc DOWN để điều khiển tăng hoặc giảm tốc độ động cơ tương ứng các giá trị tăng tốc lên 20Hz, 30Hz, 40Hz và 50Hz. Hoặc giảm xuống 40Hz, 30Hz, 20Hz, 10Hz. Ấn STOP để dừng động cơ 1 và động cơ 2. đèn báo dừng động cơ OOF 1, OOF 2 sáng đồng thời đèn báo động cơ ON 1, ON 2 tắt. Khi xảy ra sự cố, ấn EMG để dừng khẩn cấp toàn bộ hệ thống. Lúc này đèn dừng hệ thống STOP và đèn báo dừng động cơ OFF 1, OFF 2, OFF 3, OFF 4 sáng đồng thời đèn báo khởi động hệ thống START, đèn báo động cơ ON 1, ON 2, ON 3, ON 4 tắt. Để lặp lại chu trình ta lần lượt làm theo từng bước ở mục 9. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Kết luận Trong quá trình nghiên cứu, tìm hiểu thực tế, tiến hành thực hiện đồ án, được sự tham vấn hướng dẫn tận tình của thầy Đinh Văn Vương cùng các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử, đồ án “Mô hình điều khiển - giám sát hệ thống mạng truyền thông trong công nghiệp” đã hoàn thành và đạt được những kết quả sau: Nghiên cứu xây dựng hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển truyền thông giữa PLC - PLC sử dụng chuẩn truyền thông Modbus Protocol. Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển truyền thông giữa PLC - MicroMaster (biến tần) sử dụng chuẩn truyền thông USS Protocol. Tổng hợp các bộ điều chỉnh, viết chương trình xây dựng mô hình trên WinCC mô phỏng đánh giá các chế độ và các tham số, trên cơ sở đó đánh giá tính chính xác vận hành hợp lí cho hệ thống. Đây cũng là công đoạn không thể thiếu trong quá trình giám sát và vận hành mô hình điều khiển-giám sát hệ thống mạng truyền thông trong công nghiệp. Có thể nói rằng đồ án đã đạt được mục tiêu đề ra là đáp ứng nhu cầu thực tiễn về xây dựng hệ thống truyền thông công nghiệp. Khuyến nghị Khi thiết kế - xây dựng “mô hình điều khiển-giám sát hệ thống mạng truyền thông công nghiệp” cần kiểm nghiệm để đạt kết quả cao. Với kết quả đạt được, có thể khẳng định hướng tiếp cận ứng dụng của PLC Siemens S7200 để điều khiển - giám sát hệ thống mạng truyền thông trong công nghiệp là rất thiết thực và triển vọng. Trên cơ sở đó tiếp tục xây dựng mô hình điều khiển, giám sát hệ thống mạng truyền thông công nghiệp trong các xí nghiệp, nhà máy, các dây chuyền sản xuất ứng dụng các chuẩn truyền thông khácgóp phần làm tăng năng suất, hiệu quả suất lao động, thúc đẩy nền công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. TÀI LIỆU THAM KHẢO Đề cương bài giảng PLC S7-200 Siemens của ThS Đinh Văn Vương trường Cao đẳng nghề công nghệ cao Hà Nội, Tài liệ lưu hành nội bộ. Đề cương bài giảng SCADA của ThS Đinh Văn Vương trường Cao đẳng nghề công nghệ cao Hà Nội, Tài liệ lưu hành nội bộ. Hoàng Minh Sơn, “Tài liệu hướng dẫn tạo giao diện WinCC”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. Trang Web http:// dientuvietnam.net http:// tudonghoa.com http:// tailieu.vn.