Bài giảng Thiết kế hệ thống mạng PLC

ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 6 – Thiết kế hệ thống mạng PLC PHẦN II HỆ THỐNG MẠNG PLC CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠNG PLC (SIMATIC) Chủ đề: ƒ Mạng AS-i ƒ Mạng Profibus ƒ Mạng Industrial Ethernet Mục đích: ƒ Nắm rõ cấu trúc các loại mạng PLC ƒ Cơ sở dữ liệu và truyền thông ƒ Kết nối các thành phần trên mạng 149 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 6 – Thiết kế hệ thống mạng PLC 6.1. MẠNG ASI 6.1.1. GIAO TIẾP AS 6.1.1.1. Tổng quan Mạng AS-I là hệ thống kết nối ở cấp thấp nhất trong hệ thống tự động hóa (hình 6.1), ở đây các đường nối kết thiết bị rườm rà, đồ xộ được thay thế bằng tuyến cáp đơn giản gọi là cáp AS-i. Sử dụng cáp và điều khiển AS-I, thì các cảm biến và các cơ cấu chấp hành kiểu nhị phân đơn giản nhất sẽ được kết nối tới thiết bị điều khiển ở cấp trường qua các module AS-I. Mạng AS được phân biệt bằng những đặc tính chủ yếu sau: ƒ Giao tiếp AS được tối ưu để nối kết các cảm biến và cơ cấu chấp hành. Cáp AS được sử dụng cho cả hai việc : trao đổi dữ liệu giữa các cảm biến và cơ cấu với thiết bị điều khiển; cung cấp nguồn cho các cảm biến. Hình 6.1 – Phân cấp mạng ƒ Nối kết đơn giản và giá phải chăng: lắp đặt đơn giản, tính linh hoạt cao với nối kết kiểu hình cây. ƒ Thời gian đáp ứng nhanh: Chủ AS-I chỉ cần tối đa 5 ms cho chu kỳ trao đổi dữ liệu lên tới 31 trạm. ƒ Các trạm trên cáp AS-I có thể là các cảm biến, cơ cấu chấp hành với đầu nối hoặc module AS-I tích hợp có thể được nối vào tới 4 sensor/actuator nhị phân thông thường. ƒ Với các module AS-I có thể lên đến 124 cảm biến được hoạt động trêncáp AS-i. 6.1.1.2. Giao tiếp AS và các thành phần hệ thống AS Các thành phần dưới sẽ tạo thành hệ thống mạng AS ƒ AS-i master ƒ AS-i module ƒ AS-i cable ƒ AS-i power supply unit ƒ Sensors/actuators with an integrated AS-i chip ƒ Addressing unit ƒ SCOPE AS-Interface Sơ đồ sau mô tả các thành phần được nối kết, hình 6.2 150 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 6 – Thiết kế hệ thống mạng PLC Hình 6.2 – Sơ đồ kết nối các thành phần AS-i. 6.1.2. CÁC AS-I MASTER 6.1.2.1. ASI master cho simatic s7-200 CP 242-2 Module CP 242-2 cho phép kết nối chuỗi ASI tới bộ điều khiển lập trình S7-200. CP 242-2 có thể xử lý các chức năng hoàn chỉnh của các điểm ASI master, hình 6.3. CP 242-8 Module này không chỉ có các chức năng của CP 242-2 mà còn có nối kết tới PROFIBUS DP (DP slave). Module này cho nối kết S7-200 tới PROFIBUS DP và ASI cùng ơ một thời điểm với giá cả phải chăng, hình 6.4. 151 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 6 – Thiết kế hệ thống mạng PLC Hình 6.3 – ASI master CP 242-2 Hình 6.4 – ASI master CP 242-8 152 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 6 – Thiết kế hệ thống mạng PLC 6.1.2.2. ASI master cho simatic s7-300 CP 342-2 CP 342-2 là module ASI master cho các bộ điều khiển S7- 300 và cho hệ thống phân phối I/O ET 200M. CP 342-2 chiếm 16 byte input và 16 byte output trong vùng analog của bộ điều khiển mà qua đó các dữ liệu nhập của slave có thể được đọc và các dữ liệu xuất của slave có thể được đặt. Hình 6.5 – ASI master CP 342-2 Khi sử dụng một FC, ngoài trao đổi dữ liệu I/O, nó cũng có thể thực thi những thủ tục gọi chính trong chương trình điều khiển. 6.1.2.3. ASI Gateway DP-ASI gateway Ngay khi sử dụng các I/O ngoại vi phân bố, sử dụng ASI có thể có các thuận lợi. Nối mạng các ngoại vi quá trình trên profibus có thể được mở rộng đến các sensor/actuator. Các thiết bị sau đây có thể sử dụng như gateway cho profibus: ƒ DP/ASI Link 20 module (được thiết kế bằng công nghệ IP 20 để nối kết ASI với Profibus) ƒ CP 242-8 ƒ CP 142-2 trong ET200X ƒ CP 342-2 trong ET200M ƒ AS 300/CPU315-2DP với CP 2433 ƒ DP/AS Link ( link sủ dụng công nghệ IP 65 để nối kết ASI với Profibus) 6.1.2.4. ASI master cho ET200X CP 142-2 Module CP 142-2 có thể hoạt động trong hệ thống I/O phân bố ET200X, nó cho phép kết nối chuỗi ASI với hệ thống I/O. Đặc điểm chính của hệ thống I/O ET 200X là xây dựng thích nghi với các kiểu bảo vệ IP 65, IP 66 và IP 67. 153 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 6 – Thiết kế hệ thống mạng PLC Hình 6.6 – Cấu hình hệ thống với DP/ASI Link 20 Hình 6.7 – ASI master CP 142-2 154 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 6 – Thiết kế hệ thống mạng PLC 6.1.2.5. ASI master cho PC-AT CP 2413 CP 2413 cho phép kết nối giao tiếp ASI tới máy tính. Phần cứng của ASI master được thực hiện như một card PC. Cho phép đến 4 ASI master CP có thể hoạt động cùng một lúc trong một PC. Điều này nói rằng ASI PC master cũng thích hợp cho các tác vụ phúc tạp. Một chương trình hoạt động và mô phỏng sẵn sàng cung cấp các trạng thái hiện hành của các slave trên cáp và cho phép các điều hành đơn giản các slave. Chương trình này cũng có thể sử dụng để những mục đích chẩn đoán, nó cũng cho phép lập trình các địa chỉ của các slave ASI. Từ đó không những card ASI master có thể được hoạt động trong PC mà còn cho PC giao tiếp với Industrial Ethernet và Profibus cùng một lúc, dữ liệu cung cấp bởi ASI slave cũng có thể khả dụng với các trạm khác trong mạng. Hình 6.8 – Cấu hình hệ thống với PC-AT và CP2413 6.1.3. CÁC THÀNH PHẦN KHÁC CỦA ASI Như đã đề cập ở ASI ngoài các ASI master với vai trò là chủ trong hệ thống, còn có các thành phần khác được nối kết vào để tạo nên một hệ thống mạng ASI chuẩn. 6.1.3.1. Cáp ASI Cáp ASI được tiếp xúc bằng kỹ thuật thẩm thấu. Các lưỡi tiếp xúc (contact blade) thâm nhập vào áo nhựa bọc bên ngoài và tạo tiếp xúc với 2 dây dẫn. Điều này đảm bảo 155 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 6 – Thiết kế hệ thống mạng PLC cho điện tở tiếp xúc thấp và kết nối dữ liệu tin cậy. Với liểu kết nối này, có những module kết nối được thiết kế cho kỹ thuật thẩm thấu. 6.1.3.2. Repeater/Extender Các ASI repeater/Extender được thiết kế để dùng cho môi trường giao tiếp AS. Thiết bị này có nhiệm vụ mở rộng chiều dài 100 m tối đa của ASI. Một đoạn một 100m có sẵn có thể được mở rộng thêm tối đa 2 đoạn 100m nữa. Sử dụng Repeater ASI Repeater được sử dụng khi các slave được hoạt động trên tất cả các đoạn cáp. Mỗi đoạn ASI được đòi hỏi một đơn vị nguồn cung cấp riêng biệt (trước và phía sau của repeater). Repeater có các đặc điểm sau: ƒ Mở rộng chiều dài cáp tối đa là 300 m. ƒ Các slave có thể được sử dụng ở cả hai bên của ASI. ƒ Nguồn cung cấp đòi hỏi phải có ở cả hai bên ASI. ƒ Cách ly điện giữa hai cáp. ƒ Mỗi bên giao tiếp AS cần có một nguồn điện riêng biệt. Hình 6.9 – Sử dung Repeater ƒ Lắp đặt trong dạng đóng vỏ module ứng dụng chuẩn. Sử dụng Extender ASI Extender được sử dụng trong các ứng dụng mà master được lắp đặt ở khoảng cách xa hơn với chỗ lắp đặt ASI. Hình 6.10 – Sử dụng Extender ƒ Các master có thể được được đặt cách xa đoạn ASI 100m. ƒ Các slave chỉ được sử dụng ở bên của extender không có master ƒ Nguồn điện chỉ được yêu cầu cho bên không có master. ƒ Không cần cách ly điện giữa hai cáp. ƒ Chỉ thị điện áp đúng ƒ Được lắp đặt trong dạng đóng vỏ module ứng dụng. Extender được gắn trên module kết nối FK-E. 6.1.3.3. Đơn vị định địa chỉ 156 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 6 – Thiết kế hệ thống mạng PLC Mỗi slave trên ASI đều mang một địa chỉ. Địa chỉ này được lưu trữ trên các slave. Ta có thể lập trình địa chỉ của các slave sử dụng đơn vị định địa chỉ. 6.1.3.4. SCOPE ASI Phần mềm SCOPE ASI là một chương trình giám sát có khả năng ghi lại và đánh giá trao đổi dữ liệu trong các mạng ASI trong suốt quá trình lắp đặt và hoạt động. Phần mềm SCOPE ASI có thể chạy trong PC liên kết vớ CP 2413 dưới môi trường Windows. 6.1.4. CHẾ ĐỘ MASTER 6.1.4.1. Nguyên tắc của Master/Slave trong ASI ASI hoạt động theo nguyên tắc master/slave. Điều này có nghĩa là ASI master kết hợp với cáp ASI điều khiển trao đổi dữ liệu với 31 slave qua giao tiếp cáp ASI. Hình 6.11 minh họa giao tiếp giữa hai khối ASI master với ASI slave qua cáp ASI. Các lệnh gán tham số và dữ liệu quá trình được truyền qua giao tiếp giữa “master CPU” và “master CP”. Các chương trình người dùng sử dụng các gọi hàm thích hợp và cơ chế khả dụng để đọc và ghi qua giao tiếp này. Hình 6.11 – Sơ đồ khối gia tiếp ASI master/slave 6.1.4.2. Truyền dữ liệu 6.1.4.2.1. Cấu trúc thông tin – dữ liệu. Hình 6.12 mô tả các trường và danh sách dữ liệu của hệ thống đã được định nghĩa. Các cấu trúc sau đây được tìm thấy trên CP: Các ảnh dữ liệu Chúng chứa các thông tin được lưu trữ tạm thời: ƒ Các tham số thật là ảnh của các tham số hiện thời trên slave ƒ Dữ liệu cấu hình thật: trường này chứa các cấu hình I/O và mã ID của tất cả các slave được nối kết ngay khi dữ liệu này được đọc từ các Hình 6.12 – Sơ đồ cấu trúc ASI master CP và ASI slave 157 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 6 – Thiết kế hệ thống mạng PLC slave. ƒ Danh sách các slave được phát hiện (LDS) ƒ Danh sách các slave bị kích hoạt (LAS) ƒ LAS cho thấy những slave nào được kích hoạt bởi ASI master. Dữ liệu I/O chỉ trao đổi được với các slave bị kích hoạt. Dữ liệu I/O Dữ liệu nhập và xuất của quá trình. Dữ liệu cấu hình Đây là dữ liệu không bốc hơi (non-volatile), không bị thay đổi ngay khi có hư hỏng nguồn năng lượng. ƒ Dữ liệu cấu hình mong đợi, đây là các giá trị so sánh có chọn lựa mà cho phép dữ liệu cấu hình của các slave được phát hiện sẽ được kiểm tra. ƒ Danh sách dữ liệu thường trực (LPS), danh sách này cho thấy các ASI slave được mong đợi trên cáp ASI bởi ASI master. ASI master kiểm tra liên tục xem có phải tất cả các trạm chỉ định trong có mặt LPS và xem có phải dữ liệu cấu hình của chúng khớp với dữ liệu cấu hình mong muốn. Hình 6.13 – Các giai đoạn hoạt động 158 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 6 – Thiết kế hệ thống mạng PLC 6.1.4.2.2. Các cấu trúc ASI slave ƒ Dữ liệu I/O ƒ Các tham số ƒ Dữ liệu cấu hình Dữ liệu cấu hình chứa cấu hình I/O và các mã ID của slave ƒ Địa chỉ Các slave có địa chỉ “0” khi được lắp đặt. Để được phép trao đổi dữ liệu thì các slave phải được lập trình với các địa chỉ khác nhau và khác không. Địa chỉ “0” chỉ dành cho các chức năng riêng biệt. 6.1.4.2.3.Các giai đoạn hoạt động Sơ đồ hình 6.13 cho thấy các giai đoạn hoạt động của quá trình truyền dữ liệu. Chúng có 3 giai đoạn chính: ƒ Giai đoạn khởi tạo ban đầu (Initialization phase) ƒ Giai đoạn khởi động (Startup Phase) ƒ Giai đoạn trao đổi dữ liệu (Data Exchange Phase) ƒ Chế độ khởi tạo ban đầu Giai đoạn này gọi là giai đoạn offline, thiết lập trạng thái cơ bản của master. Module này được khởi tạo trị sau khi chuyển mạch. ƒ Giai đoạn khởi động Giai đoạn này bao gồm: • Giai đoạn phát hiện Phát hiện các slave trong giai đoạn khởi động. • Giai đoạn kích hoạt Sau khi phát hiện các trạm, chúng được kích hoạt do master gửi lệnh gọi đặc biệt. Khi kích hoạt các trạm riêng, có sự khác biệt giữa hai chế độ trên ASI master: − Master ở chế độ cấu hình: Tất cả các trạm được phát hiện được kích hoạt. Ở chế độ này các giá trị thật được đọc và lưu chúng cho cấu hình. − Master ở chế độ được bảo vệ: Chỉ có các trạm tương ứng với cấu hình mong đợi được lưu trên ASI master mới được kích hoạt. Nếu cấu hình thật được tìm thấy trên ASI slave khác với cấu hình mong đợi này. Master đưa các trạm được kích hoạt vào danh sách các trạm được kích hoạt. ƒ Chế độ bình thường (giai đoạn trao đổi dữ liệu) Khi kết thúc giai đoạn khởi động, ASI master chuyển sang chế độ bình thường: − Giai đoạn trao đổi dữ liệu: Master gửi dữ liệu tuần hoàn ra các trạm và nhận các thông điệp ghi nhận. − Giai đoạn quản lý: Giai đoạn này, tất cả các công việc hiện có của các ứng dụng điều khiển được xử lý và gửi đi. − Giai đoạn bao hàm: Giai đoạn này, các slave mới thêm vào được đưa vào danh sách các slave được phát hiện và cung cấp chế độ cấu hình và chúng cũng được kích hoạt. Nếu master ở chế độ bảo 159 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 6 – Thiết kế hệ thống mạng PLC vệ thì chỉ có các slave được lưu trữ trong cấu hình mong đợi của ASI master mới được kích hoạt. Với cơ chế này các slave đã hết phục vụ tạm thời cũng được bao hàm lần nữa. 6.1.4.2.4. Chức năng giao tiếp Để kiểm soát hoạt động của master/slave từ chương trình người dùng, có nhiều chức năng khả dụng ở giao tiếp được minh họa hình 6.14. Các hoạt động bao gồm: ƒ Read/Write (đọc/ghi) Khi ghi các tham số được chuyển đến slave và các ảnh tham số trên CP. Khi đọc, các tham số được chuyển từ slave hoặc các ảnh tham số từ CP vào CPU. ƒ Read/Write configuration data (đọc/ghi dữ liệu cấu hình) Các tham số đặt cấu hình hay các dữ liệu cấu hình được đọc từ bộ nhớ không bốc hơi của CP. ƒ Configure actual (Đặt cấu hình thật) Khi đọc các tham số và dữ liệu cấu hình được đọc vào và lưu trữ thường xuyên trên CP. Khi ghi, các tham số và dữ liệu cấu hình được lưu trữ thường xuyên trên CP. ƒ Supply slaves with configured parameters (Cung cấp các tham số đặt cấu hình cho các slave) Các tham số cấu hình được chuyển từ vùng nhớ không bốc hơi của CP đến các slave. Hình 6.14 – Các chức năng giao tiếp 6.2. MẠNG PROFIBUS 6.2.1. GIỚI THIỆU 6.2.1.1 Profibus là gì? Profibus là thuật ngữ mô tả mạng truyền thông tin số được sử dụng trong công nghiệp để thay thế quá trình truyền tín hiệu analog 4-20mA đang tồn tại một thời gian dài qua. Đây là mạng truyền thông số, 2 chiều, multidrop, bus nối tiếp nhằm để kết nối thiết bị 160 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 6 – Thiết kế hệ thống mạng PLC field cách ly nhau như các bộ điều khiển, các bộ chuyển đổi tín hiệu, các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Mỗi thiết bị field có khả năng tính toán được cài đặt trong nó và làm cho mỗi thiết bị thành thiết bị thông minh. Mội thiết bị field sẽ thực hành những chức năng đơn giản trên chính nó như các chức năng chuẩn đoán, điều khiển và bảo trì như cung cấp khả năng truyền thông hai chiều. Ngoài ra nó còn cho phép liên lạc với các thiết bị filed khác. Cốt lỏi là fieldbus sẽ thay thế các mạng điều khiển tập trung thành các mạng điều khiển phân tán. Do đó fieldbus có nhiều chức năng và ưu việt hơn so với việc thay thế chuẩn analog 4- 20mA. 6.2.1.2. Các thuận lợi của fieldbus • Giảm giá thành • Tiết kiệm chi phí ban đầu cho dự án công nghệ • Tiết kiệm trong bảo hành, bảo trì và thay thế • Nâng cao hiệu quả sản xuất, chất lượng sản phẩm • Bảo đảm tính an toàn sản xuất và vệ sinh môi trường • Quản lý chặt chẽ và hiệu quả. 6.2.1.3. Truyền thông công nghiệp Sự phát triển như vũ bão của IT đã góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ tự động hóa. Nó đã thay đổi các hệ phân cấp, các cấu trúc và quá trình trao đổi thông tin giữa các cấp trong hệ thống. Truyền thông đã tăng theo chiều ngang ở cấp field cũng như theo chiều dọc qua các mức phân cấp. Ở cấp Actuator/Sensor các tín hiệu của các sensor và actuator nhị phân được truyền qua ASI bus. Đây là kỹ thuật lắp đặt chi phí thấp, đơn giản, qua đó dữ liệu và nguồn điện 24V cho các thiết bị cuối được truyền qua môi trường chung. Dữ liệu được truyền xoay vòng. Ở cấp field các thiết bị ngoại vi phân bố như I/O module, cảm biến đó, các cơ cấu truyền động, các slave và các operation terminal truyền thông với các hệ thống tự động qua hệ thống truyền thông thời gian thực. Việc truyền dữ liệu quá trình là theo vòng tuần hoàn, trong khi đó các cảnh báo, tham số và dữ liệu chẩn đoán phải được truyền không đồng bộ nếu cần. Profibus là giải pháp nhằm thoả mãn các yêu cầu này đồng thời là giải pháp thông suốt cho sản xuất cũng như tự động hoá quá trình. Ở cấp cell, các bộ đềiu khiển lập trình được như PLC và IPC truyền thông với nhau. Luồng thông tin cần những gói dữ liệu lớn và một số lớn các chức truyền thông mạnh. Tích hợp vào hệ thống truyền thông toàn công ty như Intranet và Internet qua các TCP/IP và Ethernet là các yêu cầu quan trọng. 6.2.1.4. PROFIBUS (PROcess Field Bus) PROFIBUS là mạng cho cấp cell và cấp field trong hệ thống truyền thông simatic mở. Nó được ứng dụng để truyền dữ liệu từ nhỏ đến trung bình. Về mặt vật lý, PROFIBUS là mạng điện dựa trên cáp 2 dây hoặc mạng quang dựa trên cáp sợi quang hoặc mạng vô tuyến với truyền hồng ngoại (IR). 6.2.2. CÔNG NGHỆ PROFIBUS 161 ĐIỀU KHIỂN LẬP TÌNH PLC - MẠNG PLC Chương 6 – Thiết kế hệ thống mạng PLC PROFIBUS là chuẩn fieldbus cho một giải rộng các ứng dụng trong sản xuất và tự động hóa quá trình. PROFIBUS cho phép truyền thông giữa các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau không cần thêm bất cứ điều chỉnh giao tiếp nào. PROFIBUS có thể sử dụng cho hai ứng dụng: ứng dụng đò hỏi thời gian đáp ứng với tốc độ cao và những công việc truyền thông phức tạp. PROFIBUS cho các giao thức truyền thông (Communication Profiles): DP và FMS. Tùy theo ứng dụng cụ thể mà ta có thể sử dụng các công nghệ truyền dẫn sau (Physical Profiles): RS485, IEC 1158-2 hoặc sợ quang. 6.2.2.1. Giao thức truyền thông Giao thức truyền thông profibus được định nghĩa làm sao các người dùng truyền nối tiếp dữ liệu của chúng qua môi trường chung. • DP (Distributed Periphery) DP là giao thức thông dụng được sử dụng nhiều nhất. Nó được tối ưu về tốc độ, hiệu suất và giá kết nối thấp và được thiết kế cho truyền thông giữa các hệ thống tự động và ngoại vi phân bố. • FMS (Field Message Specification) Đây là giao thức truyền thông vạn năng cho nhiều chức năng ứng dụng để truyền thông giữa các t