15 24 TC khoa hoc va cong nghe 2005 t 43

Dữ liệu quá trình, thông tin cảnh báo được chuyển về máy tính chủ, thông số điều khiển quá trình và các chỉ lệnh điều khiển, trong một mối quan hệ thông tin toàn cục, từ máy tính chủ đượ

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Tập 43, số 5, 2005 Tr.15-24

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN VÀ MẠNG HIỆN TRƯỜNG PROFIBUS

VŨ CHẤN HƯNG

I HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN

Quá trình sản xuất ở các nhà máy hoặc các dây chuyền sản xuất cổ điển luôn cần đến một đội ngũ công nhân vận hành đông đảo Họ phải đứng tại nơi đặt thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất để liên tục giám sát và điều khiển quá trình sản xuất thông qua các thiết bị chỉ thị và các cơ cấu chấp hành gắn trên các dây chuyền này Đối với các hệ thống dây chuyền sản xuất có kích thước lớn, ví dụ như khu vực tổ hợp năng lượng ở các nhà máy thủy điện, người vận hành còn phải thường xuyên thực hiện công việc giám sát, ghi chép thông số của quá trình và đưa ra các quyết định thao tác phù hợp nhất ngay tại các thiết bị Để giảm thời gian giám sát và thời gian đưa ra các quyết định, người ta đã áp dụng phương pháp giám sát và điều khiển tập trung, trong

đó các thông tin về quá trình được truyền về phòng điều khiển trung tâm bằng tín hiệu tương tự (điện hoặc thủy lực) trên những đường truyền dẫn riêng, quyết định điều khiển cũng bằng những con đường tương tự như vậy đến được các đối tượng hoặc quá trình được điều khiển Cấu trúc phòng điều khiển trung tâm của loại hệ thống điều khiển tập trung - tương tự này nói chung phức tạp, do phải sử dụng quá nhiều đường truyền tín hiệu tập trung vào một nơi và quá nhiều thiết bị chỉ thị, đồng thời lại phải thực hiện các biện pháp chống nhiễu phức tạp khác nhau do bản chất

dễ bị nhiễu loạn của loại tín hiệu tương tự Kĩ thuật số và máy tính số ra đời đã tạo nên một cuộc cách mạng về truyền dẫn, xử lí thông tin, cũng như công nghệ điều khiển

Hệ thống điều khiển tập trung kĩ thuật số, với một máy tính lớn đóng vai trò bộ điều khiển trung tâm, trong một thời gian dài đã là một hình mẫu về hệ thống điều khiển sản xuất hiện đại

Hệ thống điều khiển tập trung bằng máy tính số đã thể hiện rõ sức mạnh trong khả năng thu thập

và xử lí thông tin, khả năng điều khiển các quá trình sản xuất phức tạp và khả năng mềm dẻo, linh hoạt trong quá trình điều khiển Do dữ liệu toàn cục về quá trình được thu thập trực tuyến và tập trung về một máy tính, nên nó có thể tức thời đưa ra những chỉ lệnh hoặc thông số điều khiển tối ưu cho toàn quá trình Về khía cạnh vận hành sản xuất, do dữ liệu và thông tin về quá trình sản xuất được tập trung và hiển thị tại một nơi, tại bàn hoặc phòng điều khiển trung tâm, nên đội ngũ công nhân vận hành có được cái nhìn toàn thể về trạng thái và chất lượng quá trình sản xuất,

do đó có thể can thiệp kịp thời vào quá trình sản xuất khi cần Tuy vậy hệ thống điều khiển tập trung với một máy tính trung tâm duy nhất cũng có nhiều nhược điểm Giá thành của máy tính trung tâm rất cao, quá trình đi dây và cài đặt hệ thống phức tạp, phần mềm điều khiển rất phức tạp, khả năng điều khiển song song các quá trình trong thời gian thực bị hạn chế, nguy cơ hỏng hóc

và dừng cả một dây chuyền sản xuất khá cao do phụ thuộc quá nhiều vào độ tin cậy của một máy tính điều khiển trung tâm, hơn nữa vấn đề mở rộng cũng như bảo trì hệ thống cũng rất phức tạp Yêu cầu về khả năng mềm dẻo trong cấu trúc đối với một hệ thống điều khiển đang ngày càng trở nên phức tạp, yêu cầu về chi phí xây dựng, lắp đặt, vận hành và bảo trì hệ thống thấp, yêu cầu về giảm thiểu nguy cơ ngừng quá trình sản xuất do máy tính trung tâm bị hỏng, đặc biệt khi mà kĩ thuật vi xử lí phát triển mạnh, đã dẫn đến một giải pháp hệ thống điều khiển khác, đó

là hệ thống điều khiển phân tán kĩ thuật số Trong hệ thống điều khiển phân tán thì các khối thiết

bị, bao gồm cả các thiết bị đo, các thiết bị điều khiển và điều chỉnh tự động, các thiết bị giám sát hầu hết được thiết kế trên cơ sở kĩ thuật vi xử lí Các thiết bị này được chế tạo ở dạng các khối thiết bị độc lập và được đặt phân tán tại hiện trường, nơi thực hiện các công đoạn sản xuất Các modul thiết bị này được kết nối với nhau và với máy tính chủ thông qua một đường truyền dữ liệu chung duy nhất, gọi là đường bus Mục đích của phương thức truyền thông này là làm đơn giản hóa quá trình đi dây truyền dẫn tín hiệu giữa các modul thiết bị trong hệ thống Dữ liệu quá trình, thông tin cảnh báo được chuyển về máy tính chủ, thông số điều khiển quá trình và các chỉ lệnh điều khiển, trong một mối quan hệ thông tin toàn cục, từ máy tính chủ được phát đến các khối thiết bị hiện trường qua một đường truyền dữ liệu duy nhất Quá trình truyền dữ liệu trên bus có thể được thực hiện theo chu kì hoặc là theo yêu cầu tức thời của bộ phận giám sát trung tâm Việc xác lập và hiệu chỉnh các thông số của bộ điều khiển, của thiết bị đo cũng như các thông số hệ thống khác được thực hiện bởi máy tính chủ, công việc này cũng có thể được người điều khiển vận hành thực hiện thông qua máy tính chủ Quan hệ tương tác giữa người vận hành với hệ thống điều khiển được thực hiện qua hệ thống bàn phím và màn hình hiển thị ở chế độ đồ họa (hình 1)

Hình 1

Các trạm

điều khiển

hiện trường

Bộ điều khiển trung tâm

Giao diện người - máy

Quá trình sản xuất

Mức cảm biến-cơ cấu chấp hành

Mức điều khiển / giám sát Các trạm

điều khiển /

vào ra phân tán

BUS hiện trường

ETHENET công nghiệp

Trạm điều khiển trung tâm

Mức điều hành sản xuất

Hình 2

Đối với một hệ thống sản xuất quy mô xí nghiệp gồm nhiều phân xưởng và nhiều công đoạn sản xuất thì mô hình hệ thống điều khiển thích hợp hơn sẽ là mô hình kết hợp của cả điều khiển tập trung và điều khiển phân tán, tạo nên một hệ thống điều khiển có phân cấp Mô hình

hệ thống điều khiển phân cấp thường bao gồm các cấp điều khiển được phân theo chức năng như: điều khiển cấp cảm biến - chấp hành, điều khiển - giám sát cấp hiện trường và điều hành

sản xuất cấp xí nghiệp hoặc công ty (hình 2)

II BUS HIỆN TRƯỜNG PROFIBUS

Trong hệ thống điều khiển có phân cấp quá trình truyền thông giữa các đối tượng trong mỗi cấp và giữa các cấp được thực hiện thông qua một mạng truyền thông công nghiệp Cấu hình mạng trên mỗi cấp được lựa chọn thường là cấu hình kiểu bus Ở cấp cảm biến - chấp hành các tín hiệu từ các cảm biến và đến cơ cấu chấp hành được truyền đi qua đường bus cảm biến-chấp hành Đường bus ở cấp này không chỉ là phương tiện truyền thông mà còn được dùng để cấp nguồn cho các modul được gắn lên bus Ở cấp điều khiển - giám sát hiện trường các thiết bị hiện trường như các thiết bị vào-ra, thiết bị đo lường, thiết bị chấp hành, thiết bị phân tích và thiết bị giao diện vận hành v.v thực hiện trao đổi thông tin với các máy tính điều khiển qua một

hệ thống truyền tin thời gian thực là hệ thống bus hiện trường Công nghệ bus hiện trường được phát triển vào những năm 80 nhằm mục đích thay thế công nghệ truyền dẫn song song, đi dây tập trung, tín hiệu truyền dạng tương tự Bus hiện trường là môi trường truyền thông công nghiệp, với phương tiện truyền dẫn là cáp đồng, cáp quang hoặc vô tuyến Việc truyền dẫn dữ liệu của quá trình được thực hiện trên bus theo chu kì, còn các dữ liệu khác như dữ liệu cấu hình

hệ thống, dữ liệu chẩn đoán được truyền kiểu phi chu kì khi có yêu cầu Nhiều hệ thống bus hiện trường đã được xây dựng và sử dụng trên thế giới như PROFIBUS, INTERBUS, CONTROLNET, MODBUS và FOUNDATION FIELDBUS Trong số các công nghệ bus hiện trường đang được sử dụng nói trên, PROFIBUS (Process Field Bus) là công nghệ dẫn đầu PROFIBUS đầu tiên được xây dựng tại Đức, trở thành chuẩn quốc gia của Đức năm 1993, chuẩn châu Âu EN 50710 năm 1996 và hợp chuẩn quốc tế về bus hiện trường IEC 61158 vào năm

1999 Với hơn 5 triệu thiết bị được lắp đặt trên 500.000 ứng dụng tại châu Âu, Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc v.v PROFIBUS đang chiếm trên 20% thị phần bus hiện trường trên thế giới PROFIBUS là một hệ thống truyền tin kĩ thuật số mở, ứng dụng trong các môi trường tự động hóa quá trình và tự động hóa xí nghiệp PROFIBUS phù hợp với các yêu cầu về truyền tin phức tạp tốc độ cao, các ứng dụng có đòi hỏi khắt khe về thời gian thực trong công nghiệp PROFIBUS quy định về kĩ thuật truyền dẫn, giao thức truyền thông và cả các lược tả ứng dụng riêng Theo mô hình quy chiếu 7 mức ISO/OSI thì quá trình kết nối và truyền tin mà PROFIBUS thực hiện tương ứng với các mức 1, 2 và 7 của mô hình này PROFIBUS không chỉ là một hệ thống truyền thông mà còn là một chuẩn truyền thông và là một công nghệ tự động hóa trong công nghiệp

1 Kĩ thuật truyền dẫn PROFIBUS

Ở mức truyền dẫn vật lí, ứng với mức 1 trong mô hình ISO/OSI, PROFIBUS sử dụng chuẩn truyền dẫn RS 485 và RS 485-IS Kĩ thuật truyền dẫn RS 485 cho phép kết nối 32 trạm trên một đường dẫn bằng một cặp dây đồng Tốc độ truyền dữ liệu có thể từ 9,6 Kbit/s đến 12 Mbit/s tùy thuộc khoảng cách giữa các điểm kết nối, ví dụ với tốc độ 9,6 Kbit/s thì khoảng cách tối đa có thể là 1200 m, với tốc độ 12 Mbit/s thì khoảng cách tối đa là 100 m Nếu cần kết nối nhiều hơn 32 trạm thì phải dùng các bộ nhắc lại (repeaters) Các thiết bị được gắn lên bus thực hiện liên kết với nhau theo kiểu multidrop, trong đó các thiết bị hiện trường được gắn lên một

cặp dây hoặc cáp đồng trục bằng đầu nối kiểu chữ T Điều này làm giảm giá thành đi dây và giá thành kiểm tra bảo trì đường truyền (hình 3)

Chu kì Bus

(ms)

14

2 Cấu hình hệ thống và giao thức truyền thông PROFIBUS-DP

a Cấu hình hệ thống PROFIBUS-DP

PROFIBUS bao gồm ba loại hình truyền thông: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP và PROFIBUS-PA Truyền thông PROFIBUS-DP (Decentralized Peripherals) thực hiện trao đổi dữ liệu quá trình ở cấp hiện trường với một tốc độ cao và đáp ứng thời gian thực PROFIBUS-DP

hỗ trợ ứng dụng hai loại hệ thống: hệ thống đơn chủ và hệ thống đa chủ Các thông số kĩ thuật để xác định cấu hình một hệ thống gồm: trạm chủ, số lượng trạm thợ, địa chỉ trạm và địa chỉ các cổng vào-ra, khuôn dạng dữ liệu vào-ra

Trên mỗi hệ thống DP có thể xác lập 3 loại thiết bị khác nhau: trạm chủ DP lớp 1 (DP Master Class 1 - DPM1), trạm chủ DP lớp 2 (DP Master Class 2 - DPM2) và trạm thợ

- Trạm chủ DP lớp 1 (DPM1): Thiết bị DPM1, thường là PLC hoặc PC, đóng vai trò bộ điều khển trung tâm DPM1 thực hiện truy nhập bus tích cực, đọc dữ liệu từ các thiết bị hiện trường (từ trạm thợ) và ghi các dữ liệu đầu ra tới các trạm thợ tại những thời điểm xác định Ở

hệ thống đơn chủ thì chỉ có một chủ là tích cực trên bus (hình 4)

Quá trình truyền thông tin giữa DPM1 và các trạm thợ được tiến hành trên hai pha: pha cấu hình, đặt tham số và pha truyền dữ liệu Trước khi trạm chủ thực hiện pha truyền dữ liệu sẽ có một quá trình kiểm tra cấu hình và tham số được thực hiện Điều này đảm bảo cấu hình được đặt phù hợp với cấu hình thật của thiết bị và giúp người dùng có khả năng ngăn ngừa được lỗi lúc đặt tham số DPM1 thực hiện trao đổi thông tin với các trạm phân tán (thợ) theo chu kì Ở hệ thống

đa chủ có thể có một vài chủ được nối lên bus Tất cả các chủ đều có thể đọc ảnh đầu vào-đầu ra của các thợ, nhưng chỉ có một chủ DP là DPM1 được thực hiện thao tác ghi đến các đầu ra DPM1 sử dụng bộ định thời điều khiển dữ liệu để giám sát quá trình truyền thông của các trạm thợ, có từng bộ định thời riêng cho mỗi trạm thợ Trạm thợ sử dụng cơ chế watchdog để

Hình 4

Trạm chủ DP

Trạm thợ DP

Hình 3

giám sát quá trình truyền thông với chủ Nếu trong thời khoảng kiểm tra watchdog mà việc truyền thông với chủ không xảy ra thì thợ sẽ chuyển đầu ra của nó sang trạng thái an toàn

- Trạm chủ DP lớp 2 (DPM2): Các thiết bị thuộc lớp DPM2 là các thiết bị cấu hình hệ thống, các thiết bị lập trình, các thiết bị điều khiển vận hành và chẩn đoán hệ thống Chúng được dùng để phân công nhiệm vụ, bảo trì và chẩn đoán các thiết bị DPM2 thực hiện kiểu truy nhập bus tích cực, nhưng thường không nối cố định với hệ thống bus

- Trạm thợ: Trạm thợ là các thiết bị vào-ra, các cơ cấu chấp hành, các thiết bị đo lường và các thiết bị điều khiển nằm ở hiện trường Các thiết bị này thu thập thông tin từ quá trình hoặc can thiệp trực tiếp vào quá trình Về phương diện truyền thông thì các thiết bị này đóng vai trò thụ động Chúng chỉ trả lời khi được chủ hỏi Ở hệ thống đa chủ có một cơ chế bảo vệ truy nhập, theo đó chỉ có một chủ được ủy quyền (DPM1) mới có quyền truy nhập trực tiếp đến đầu ra của trạm thợ Đối với các chủ khác thì trạm thợ chỉ cung cấp ảnh đầu vào của chúng mà thôi

b Giao thức truyền thông PROFIBUS-DP

Giao thức truyền thông PROFIBUS-DP phục vụ quá trình trao đổi thông tin tốc độ cao ở mức hiện trường Giao thức này được sử dụng khi các bộ điều khiển trung tâm, PLC hoặc PC, thực hiện trao đổi thông tin với các thiết bị hiện trường phân tán như các thiết bị vào-ra phân tán, các cơ cấu chấp hành, các thiết bị đo v.v Quá trình trao đổi dữ liệu với các thiết bị phân tán được thực hiện theo chu kì

Truyền thông PROFIBUS-DP thực hiện trao đổi dữ liệu quá trình tốc độ cao, theo chu kì giữa chủ bus và các thiết bị gắn trên bus Giao thức PROFIBUS-DP có 3 phiên bản: V0, DP-V1 và DP-V2

- Giao thức PROFIBUS-DP-V0

Giao thức PROFIBUS-DP-V0 cung cấp các chức năng cơ bản như trao đổi dữ liệu theo chu kì, chẩn đoán các modul và trạm Bộ điều khiển trung tâm (trạm chủ) đọc dữ liệu vào từ các trạm thợ và ghi dữ liệu đến các trạm thợ theo chu kì Thời gian chu kì bus phải ngắn hơn chu kì thực hiện chương trình ở bộ điều khiển trung tâm, tùy thuộc cấu hình của hệ thống cụ thể (hình 5)

Chức năng chẩn đoán của DP cho phép định vị nhanh các lỗi Thông điệp chẩn đoán được truyền lên bus, được trạm chủ thu thập và xử lí

- Giao thức PROFIBUS-DP-V1

Hình 5

Giao thức PROFIBUS-DP-V1 bao gồm các chức năng của DP-V0 nhưng được phát triển hướng vào tự động hóa quá trình DP-V1 có khả năng truyền dữ liệu không theo chu kì, nhằm cung cấp khả năng xác lập thông số các modul, thực hiện các thao tác vận hành, khả năng thông tin cảnh báo-báo động và trao đổi thông tin với các thiết bị hiện trường thông minh Quá trình truyền dữ liệu không theo chu kì được thực hiện song song với truyền dữ liệu theo chu kì, nhưng với mức ưu tiên thấp hơn Trạm DPM1 thực hiện phát và nhận dữ liệu với các trạm thợ theo một danh sách được xác lập khi cấu hình hệ thống và theo một chu kì cố định Sau đó nó chuyển quyền chủ bus cho DPM2, DPM2 sử dụng khoảng thời gian trống còn lại còn lại của chu kì truyền thông đã được xác lập để thực hiện kết nối phi chu kì với bất kì trạm thợ nào ở trên bus Cuối chu kì truyền thông nó trả quyền điều khiển bus lại cho DPM1 (hình 6)

- Giao thức PROFIBUS-DP-V2

Giao thức PROFIBUS-DP-V2 chứa những chức năng nâng cao và hướng đến các yêu cầu của công nghệ truyền động DP-V2 có thêm những chức năng như chế độ truyền tin giữa trạm thợ và trạm thợ theo kiểu DXB (Data eXchange Broadcast) và chế độ đẳng thời

Chế độ truyền tin DXB cho phép thực hiện truyền thông tin trực tiếp giữa các thợ Một trạm thợ đóng vai trò "nhà xuất bản" (publisher), phát thông tin trực tiếp tới các trạm thợ-"người đặt mua" (subscriber) khác mà không cần đến sự điều phối của trạm chủ (hình 7)

Token Trạm chủ lớp 1

PROFIBUS-DP

Trạm chủ lớp 2 PROFIBUS-DP

Hình 6

PROFIBUS-DP Trạm chủ lớp 1

Trạm thợ (Publisher)

Trạm thợ (Subscriber)

Trạm thợ (Subscriber) Trạm chủ lớp 1

PROFIBUS-DP

Chế độ đẳng thời cho phép điều khiển đồng bộ nhịp xung đồng hồ trong các trạm chủ và thợ Chu kì nhịp hoạt động của tất cả các thiết bị gắn trên bus có thể được đồng bộ với chu kì nhịp hoạt động của chủ bus, với độ chính xác đến micro giây, bằng một thông điệp điều khiển toàn cục được gửi đi đồng loạt tới các thiết bị Chế độ đẳng thời đặc biệt có ích đối với những quá trình điều khiển đòi hỏi sự phối hợp hoạt động điều khiển với độ chính xác cao giữa các thiết bị gắn trên bus

a Các lược tả ứng dụng riêng (specific appplication profiles)

PROFIBUS nổi trội so với các hệ thống bus hiện trường khác ở quan điểm về các tùy chọn ứng dụng PROFIBUS đề xuất một tập hợp các chuẩn mới, phát triển các lược tả ứng dụng riêng

có tính đến các yêu cầu đặc thù của người sử dụng trong công nghiệp, nhằm xây dựng một hệ thống điều khiển công nghiệp thống nhất trên cơ sở hệ thống bus hiện trường mở và tiêu chuẩn Thuật ngữ "lược tả" (profile) sử dụng trong công nghệ tự động hóa được dùng với nghĩa xác định các hành trạng và tính chất của thiết bị, họ thiết bị hoặc toàn bộ hệ thống Các lược tả ứng dụng cung cấp cho các nhà sản xuất thiết bị những đặc tả của thiết bị để họ có thể sản xuất và phát triển các thiết bị phù hợp với lược tả, nhờ đó các thiết bị này có khả năng phối hợp làm việc với nhau và thay thế được lẫn cho nhau trong các hệ thống điều khiển

Các lược tả ứng dụng PROFIBUS bao gồm:

- PROFIdrive: Lược tả này xác định rõ hành trạng thiết bị và thủ tục truy nhập dữ liệu đối với các thiết bị truyền động trên PROFIBUS

- Các thiết bị PA: Lược tả này xác định rõ các đặc tính của thiết bị phục vụ cho tự động hóa quá trình trên PROFIBUS

- Các thiết bị vào-ra điều khiển từ xa dùng cho thiết bị PA: Xác định các thiết bị và loại dữ liệu được ứng dụng để thực hiện điều khiển vào-ra từ xa các thiết bị PROFIBUS-PA

- Các thiết bị panel: Lược tả này mô tả cách giao diện của các thiết bị giao diện người-máy (HMI)

- Các Encoder: Lược tả này mô tả giao diện của các bộ cảm biến quay, cảm biến góc và cảm biến tuyến tính

- Các thiết bị thủy lực: Lược tả này mô tả cách điều khiển các thiết bị thủy lực trên PROFIBUS

- Các thiết bị chuyển mạch điện áp thấp: Lược tả này định nghĩa cách trao đổi dữ liệu của các thiết bị chuyển mạch điện áp thấp trên PROFIBUS

- Các thiết bị cân - đong: Lược tả này mô tả ứng dụng các thiết bị hoặc hệ thống cân-đong trên PROFIBUS

- Các hệ thống nhận dạng: Lược tả này mô tả quá trình truyền thông giữa các thiết bị nhận dạng (như các thiết bị mã vạch v.v.) gắn trên PROFIBUS

- Các thiết bị robot/NC: Lược tả này mô tả cách điều khiển các robot tay máy và robot thao tác gắn trên PROFIBUS

III HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ PROFIBUS

CỦA SIEMENS

SIEMENS là tập đoàn đa quốc gia lớn nhất trong lĩnh vực công nghệ tự động hóa, điều khiển tự động và mạng điều khiển trong công nghiệp SIEMENS đã đề xuất giải pháp tự động

hóa tích hợp toàn diện, nhằm giải quyết các bài toán tự động hóa từ cấp quá trình trên hiện trường đến cấp độ toàn xí nghiệp/công ty theo một quan điểm thống nhất và mở về phương diện công nghệ cũng như hệ thống Hệ thống điều khiển phân tán dưới đây được xây dựng trên cơ sở tích hợp các bộ điều khiển PLC S7, thiết bị vào-ra phân tán DP, thiết bị điều khiển truyền động

DP, thiết bị giao diện người-máy HMI thuộc họ SIMATIC và mạng công nghiệp cấp hiện trường PROFIBUS của SIEMENS (hình 8)

Hệ thống điều khiển phân tán bao gồm hai trạm chủ và ba trạm thợ, trong đó có một trạm thợ thông minh

- Bộ điều khiển PLC S7-400 với CPU 414-3: Trên phương diện mạng công nghiệp bộ điều

khiển PLC S7-400 được xác lập để thực hiện vai trò trạm chủ DPM1 Trên phương diện hệ thống điều khiển phân tán PLC S7-400 đóng vai trò là một bộ điều khiển trung tâm Trạm chủ DPM1 có một modul mở rộng CP443-1, thực hiện chức năng truyền thông Bộ điều khiển trung tâm PLC S7-400 được lập trình để thực hiện các chức năng sau:

+ Xác lập thông số điều khiển tối ưu cho bộ điều chỉnh PID của một hệ thống điều khiển phản hồi mạch kín cục bộ nằm tại hiện trường Đây là một hệ thống điều khiển vị trí, với đối tượng điều khiển là hệ thống quạt gió - cánh nhôm Hệ thống điều khiển này có nhiệm vụ duy trì góc nghiêng của cánh nhôm tại một vị trí được xác lập từ Bộ điều khiển trung tâm

+ Thu thập dữ liệu quá trình và điều phối hoạt động của các thiết bị vào-ra phân tán, nhằm thực hiện quá trình điều khiển có phản hồi với các thiết bị nằm phân tán trên mạng

- Bộ điều khiển PLC S7-300 với CPU 313-2DP: Trên phương diện mạng công nghiệp bộ

PLC S7-300 được xác lập để thực hiện vai trò một trạm thợ thông minh Trên phương diện hệ thống điều khiển phân tán nó đóng vai trò là một bộ điều hiển cấp hiện trường

Hình 8

Trạm PLC S7-300 bao gồm 1 CPU 313-2DP và nhiều modul mở rộng:

+ Modul DIO vào-ra số 16 bit SM 323;

+ Modul DO ra số 32 bit SM 322;

+ Modul AI vào tương tự 16 bit SM 331;

+ Modul AO ra tương tự 16 bit SM 332;

+ Modul FM điều khiển động cơ bước FM 353

Bộ điều khiển PLC S7-300 được lập trình để thực hiện các nhiệm vụ sau:

+ Điều khiển vị trí hệ thống quạt gió-cánh nhôm theo luật điều khiển PID Các thông số của PID có thể được xác lập trực tuyến từ bộ điều khiển trung tâm

+ Thông qua bộ điều khiển trung tâm nhận dữ liệu qúa trình (ở đây là nhiệt độ) từ một trạm vào-ra phân tán, tính toán giá trị điều khiển theo thuật toán điều khiển được cài đặt và gửi dữ liệu điều khiển (tốc độ, hướng quay động cơ, quy trình thay đổi tốc độ của động cơ) đến cơ cấu chấp hành (Biến tần-Động cơ 3 pha), một thiết bị PROFIBUS gắn trên mạng PROFIBUS DP + Điều khiển tốc độ, hướng quay, vị trí trục quay của động cơ bước Các tham số điều khiển do bộ điều khiển trung tâm cung cấp

- Thiết bị giao diện vận hành OP 170: OP 170 là thiết bị giao diện người - máy, hoạt động

trên mạng PROFIBUS với vai trò trạm chủ DPM2 OP 170 có những điểm đặc trưng sau: + Tự động phát hiện việc nạp dữ liệu cấu hình hoạt động;

+ Hiển thị dữ liệu vào/ra của quá trình;

+ Dữ liệu vào của quá trình nhập từ bàn phím;

+ Hiển thị dữ liệu quá trình bằng cả hai dạng số hoặc đồ họa

OP 170 thực hiện chức năng nhập dữ liệu đầu vào và hiển thị dữ liệu đầu ra cho các quá trình điều khiển trên hệ thống điều khiển phân tán theo chế độ thời gian thực

- Modul ET 200M: ET 200M là một thiết bị vào - ra phân tán và đóng vai trò một trạm thợ

DP trong mạng PROFIBUS ET 200 M là một phần của hệ thống PLC S7 Môi trường STEP 7

hỗ trợ cấu hình, lập trình và gán tham số cho ET 200M trong quá trình phân công nhiệm vụ trên mạng PROFIBUS DP ET 200 M được cài đặt giống như một PLC S7-300 với cấu hình gồm modul giao diện IM 153-x, các modul tín hiệu SM và modul chức năng FM Trong hệ thống điều khiển phân tán đang được đề cập thì cấu hình của ET 200 M bao gồm modul giao diện IM 153-2 và modul SM 331 SM 331 là modul đầu vào tương tự HART, dùng trong các thiết bị

vào-ra phân tán gắn trên PROFIBUS DP Chức năng HART cho phép chúng ta vận hành các thiết bị tương tự kết hợp với truyền thông số SM 331 đóng vai trò một chủ HART và thực hiện kết nối với các modul thợ HART Modul thợ HART là các thiết bị đo lường, cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành hiện trường thông minh có chức năng HART, ví dụ thiết bị cảm biến nhiệt độ Pt100 có gắn HART modem Các thiết bị hiện trường thông minh có chức năng HART có thể được xác lập thông số làm việc bằng các thiết bị xách tay HART hoặc bằng công cụ quản lí thiết bị quá trình PDM Chủ HART nhận lệnh từ PDM sẽ chuyển nó đến thiết bị hiện trường và nhận thông tin trả lời theo giao thức HART

- Modul MICROMASTER 420 với thiết bị truyền thông PROFIBUS: MICROMASTER

420 (MM 420) là một thiết bị biến tần có điều khiển, với thiết bị điều khiển cục bộ là một hệ vi

xử lí, được dùng để điều khiển tốc độ của động cơ 3 pha MM 420 có một mạch điều khiển tốc

độ phản hồi vòng kín, với luật điều khiển PID MM 420 được thiết kế để có thể hoạt động độc lập cũng như hoạt động phối hợp trong các hệ thống tự động hóa MM 420 có thể hoạt động theo

chế độ mặc định, theo chế độ đặt từ panel vận hành BOP/AOP hoặc theo chế độ đặt bằng phần mềm STARTER nạp qua mạng truyền thông và modul PROFIBUS đặt trên biến tần Để có thể hoạt động như là một thiết bị phân tán trên mạng PROFIBUS, MM 420 cần được gắn thêm modul PROFIBUS Với cấu hình có modul PROFIBUS, MM 420 đóng vai trò một trạm thợ trong mạng PROFIBUS-DP Có thể thực hiện hai chế độ truyền dữ liệu với MM 420: chế độ truyền tin có chu kì từ trạm chủ DPM1(bộ điều khiển trung tâm) và chế độ phi chu kì từ trạm chủ DPM1 hoặc trạm chủ DPM2 (máy lập trình với phần mềm STARTER, thiết bị giao diện vận hành HMI)

Quá trình xác lập cấu hình hệ thống điều khiển phân tán, xây dựng và nạp các chương trình điều khiển hệ thống được thực hiện trên môi trường STEP 7 của hãng SIEMENS

IV KẾT LUẬN

Các hệ thống điều khiển phân tán được xây dựng trên cơ sở công nghệ PROFIBUS đã và đang được sử dụng rộng rãi và rất có hiệu quả trên thế giới Công nghệ PROFIBUS đã và đang giữ vị trí hàng đầu trong công nghệ bus hiện trường và cho phép xây dựng các hệ thống tự động hóa theo quan điểm tích hợp toàn diện và thật sự đã đem đến cho công nghệ tự động hóa một một cách tiếp cận hệ thống mới, một giải pháp mới để giải quyết các nhiệm vụ về tự động hóa quá trình điều khiển và quá trình sản xuất ngày nay

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 V Strejc - Teorie automatickeho rizeni, Nhà xuất bản CVUT-Praha, 1986

2 M H Samuel - Understanding Distributed Processor Systems for Control, Instrument Society of America – ISA, 1999

3 PROFIBUS Technology and Application PROFIBUS International, www.profibus.com,

2004

4 SIEMENS AG - Industrial Communication for Automation and Drivers, 2002

5 SIEMENS AG - SIMATIC User Manuals, 2002

SUMMARY

THE DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM AND PROFIBUS TECHNOLOGY The distributed control system based on PROFIBUS technology has been used widely and effectively in the industry all over the world

PROFIBUS technology has become the world market leader in the fielbus technology and allowed the construction of the automatic control system based on the system integration This technology offers a new approach and method to solve an automatic process control and production in industry today

Viện Công nghệ thông tin, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam