PROFIBUS DP được phát triển nhằm phục vụ cho việc trao đổi thông tin đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu nhanh, đáp ứng yêu cầu cao về thời gian trong trao đổi dữ liệu giữa các bộ PLC hoặc các
Trang 1Ứng dụng mạng truyền thông PROFIBUS trong giám sát
và điều khiển mô hình dây chuyền sản xuất linh hoạt
Applying PROFIBUS network for monitoring and controlling model
of flexible manufacturing system
Nguyễn Văn Mướt, Lý Thanh Phương, Nguyễn Văn Chương, Phó Hoàng Linh
Trường Đại học Cần Thơ e-Mail: nvmuot@ctu.edu.vn; ltphuong@ctu.edu.vn nvchuong233@student.ctu.edu.vn, phlinh268@student.ctu.edu.vn,
Tóm tắt
Ngày nay, cùng với sự tiến bộ không ngừng về khoa học và công nghệ, việc ứng dụng những kỹ thuật tiên tiến góp phần phục vụ công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước là nhiệm vụ không thể thiếu Trong bài báo này, nhóm tác giả giới thiệu ứng dụng mạng truyền thông Profibus trong việc giám sát và điều khiển hệ thống
cơ điện tử, với mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt dùng PLC S7-300 (CPU 315-2DP) của Siemens
Sự kết hợp giữa phần mềm SCADA chuyên dụng WinCC và mạng truyền thông Profibus giúp kết nối nhiều PLC để điều khiển và giám sát cả hệ thống bao gồm nhiều trạm tự động khác nhau Điều này không chỉ giúp cho công ty, nhà máy nâng cao chất lượng điều hành và giám sát cả hệ thống mà còn tiết kiệm được chi phí sản xuất cũng như thời gian vận hành
Abstract
Nowadays, with the ever-growing development of science and technology, the application of advanced techniques to impulse the industrialization and modernization of our country is the most essential thing to do
In this paper, we would like to introduce to readers an application of communication network - Profibus to controlling a flexible manufacturing system using PLC S7-300 (CPU 315-2DP), product of Siemens
The combination of SCADA, software WinCC and Profibus DP network helps monitoring and controlling the whole system which includes many automation stations This will help companies, factories not only improve the quality of supervising and controlling the whole system but also save production cost as well as operation time
Ký hiệu
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
FESTO Hãng cung cấp thiết bị
I/O Cổng vào/ra
OB1 Khối lập trình chính
PS Bộ cung cấp nguồn
SFC14 Hàm đọc dữ liệu
SFC15 Hàm truyền dữ liệu
Chữ viết tắt
CPU Central Processing Unit
DP Decentralized Peripherals
MPS Modular Production System
MPI Multi Point Interface
PLC Programmable Logic Controller
WinCC Windows Control Center
SCAD
A
Supervisory Control And Data
Acquisition
1 Phần mở đầu
PROFIBUS là chữ viết tắt của Process Field Bus,
là một tiêu chuẩn mạng cấp trường được phát triển lần đầu tiên tại Đức vào năm 1987, sau này trở thành tiêu chuẩn của châu Âu EN 50170 vào năm
1996 và trở thành tiêu chuẩn quốc tế IEC 61158 vào đầu năm 2000 [2] Một dạng của PROFIBUS
là PROFIBUS DP (Decentralized Peripherals) được ứng dụng phổ biến trong mạng công nghiệp
và truyền thông dành cho các ứng dụng có các thiết bị ngoại vi phân tán PROFIBUS DP có thể
sử dụng chuẩn truyền thông RS-485, không dây hoặc dùng cáp quang Trong đó chuẩn RS-485 được sử dụng phổ biến nhất
PROFIBUS DP được phát triển nhằm phục vụ cho việc trao đổi thông tin đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu nhanh, đáp ứng yêu cầu cao về thời gian trong trao đổi dữ liệu giữa các bộ PLC hoặc các máy tính công nghiệp với các ngoại vi phân tán ở cấp
Trang 2trường, như: cảm biến, thiết bị đo, bộ truyền động,
thiết bị chấp hành, các module mở rộng …
Đặc điểm của mạng PROFIBUS DP:
Dữ liệu truyền được xác định trong cấu hình (tối
ưu hóa trao đổi dữ liệu)
Chỉ một DP chủ có thể xuất dữ liệu về trạm máy
tính
Hệ thống fieldbus nhanh, có thể lên đến 12
Mbits/s Tốc độ truyền tùy vào độ dài cáp nối
truyền thông [5]:
187,5 kBit/s: Chiều dài cáp có thể đến 1000
mét
500 kBit/s: Chiều dài cáp có thể đến 400 mét
1,5 MBit/s: Chiều dài cáp có thể đến 200 mét
3 MBit/s: Chiều dài cáp có thể đến 150 mét
6 MBit/s: Chiều dài cáp nhỏ hơn 150 mét
12 MBit/s: Chiều dài cáp có thể đến 100 mét
Dữ liệu lên đến 244 byte vào/244 byte ra mỗi trạm
Thời gian đáp ứng nhanh, thời gian truyền thông
đo được thực tế khi có 5 trạm mở rộng I/O phân
tán ET200, với mỗi trạm có 32 I/O là 0.25 ms
Multi Point Interface (MPI) là một mạng con
(subnet) trong hệ thống SIMATIC NET của hãng
Siemens Mạng MPI được sử dụng cho cấp điều
khiển, giám sát với yêu cầu khoảng cách giữa các
trạm không lớn Với mạng này, số lượng ghép nối
trạm hạn chế (tối đa 32 trạm); dung lượng truyền
thông nhỏ, tốc độ truyền tối đa là 187,5 Kbps [3]
Trong bài báo này, tác giả đưa ra phương pháp
thiết lập cấu hình phần cứng và lập trình phần
mềm để các PLC trao đổi được dữ liệu với nhau,
bao gồm một DP chủ và các DP tớ DP chủ quản
lý được toàn bộ dữ liệu của các DP tớ qua giao
tiếp PROFIBUS và đưa dữ liệu trực tiếp lên máy
tính bằng giao tiếp MPI Qua đó, ta giám sát được
cả hệ thống thông qua giao diện được xây dựng
bằng phần mềm WinCC trên máy tính
2 Nội dung 2.1 Cấu hình phần cứng
2.1.1 Cấu hình phần cứng cho các trạm PLC
Mạng được chọn gồm 5 PLC S7-300 sẽ được lập
cấu hình phần cứng và truyền thông bằng phần
mềm SIMATIC Manager Việc giám sát, điều
khiển dữ liệu của hệ thống được thực hiện bằng
phần mềm WinCC như hình H.1
H 1 Cấu trúc của mạng truyền thông PLC điển hình
Trên phần mềm SIMATIC Manager, ta có thể tạo một dự án (project) gồm nhiều trạm PLC, trong đó PLC của trạm 1 làm trạm chủ (master) quản lý dữ liệu của các trạm PLC tớ (slave) còn lại (trạm 2, 3,
5 và 6)
Để tạo 5 trạm PLC S7-300 trong dự án, từ cửa sổ
SIMATIC Manager, ta chọn mục “Insert >
Station> SIMATIC 300 Station” như hình H.2
Thiết lập các module của PLC S7-300 CPU 315-2DP cho các trạm bằng cách: chọn từng trạm, sau
đó ở mục “Hardware” thực hiện việc thiết lập cấu
hình phần cứng như: tạo rail, module CPU, I/O, nguồn
Tạo rail: Chọn SIMATIC 300 > RACK-300 >
rail
Chèn CPU 315-2DP: Chọn SIMATIC300 >
CPU-300 > CPU 315-2DP > 6ES7315-2AG10-0AB0 > V2.0 > chọn và kéo thả vào rail (Slot 2)
Chèn module nguồn: SIMATIC 300 > PS-300 >
PS 307 2A > chọn và kéo thả vào rail
Chèn module I/O: SIMATIC 300 > SM-300 >
DI/DO-300 >SM 232 DI16/DO16x24V/0.5A > chọn và kéo thả vào “rail”
Cấu hình các module của một trạm hoàn tất như ở
hình H.3 Các thiết lập phần cứng cần được biên
dịch và cập nhật kết nối: chọn Station > Save and
compile
Trang 3with No acknowledge - SDN); gửi dữ liệu có nhận
biết (Send Data with Acknowledge - SDA); yêu
cầu dữ liệu có phản hồi (Request Data with Reply
- RDR); gửi và yêu cầu dữ liệu (Send and Request
Data - SRD)
Kỹ thuật truyền dữ liệu không nhận biết SDN
được dùng cho trạm chủ khi phát dữ liệu đến cho
tất cả các trạm tớ trên bus truyền thông Ba kỹ
thuật còn lại dành cho các trạm đầu cuối với tín
hiệu đáp ứng tức thời Điều này giúp cho mạng
PROFIBUS giải quyết được vấn đề liên quan đến
thời gian thực
2.1.2 Cấu hình PROFIBUS cho các trạm tớ
Việc thiết lập cấu hình PROFIBUS cho từng trạm
tớ được thực hiện tại cửa sổ “Hardware
Configuration” Trên rail của “trạm 2”, nhấp chuột
phải ô “DP > Object Properties”, hộp thoại
“Properties-DP-(R0/S2.1)” xuất hiện Thực hiện
cấu hình như sau:
Mục “General”: Từ khung “Interface” nhấp chọn
“PROFIBUS” sẽ xuất hiện hộp thoại “Properties–
PROFIBUS interface DP (R0/S2.1)”
Mục “Adrdress” chọn là “2”, đây là địa chỉ
của CPU khi kết nối vào mạng PROFIBUS
(có thể tuỳ chọn nhưng không được trùng
với các địa chỉ đã lập rồi trên mạng PROFIBUS)
Trong mục “Subnet” chọn “New” thì hộp
thoại “Properties – New subnet PROFIBUS” xuất hiện Trên hộp thoại
này, tại mục “Network settings”, ta chọn
“1.5 Mbps” ở vùng “Transmission Rate”, chọn “DP” ở vùng “Profile”
Mục “Operating Mode”: Chọn “DP slave”
Mục “Configuration”: Thiết lập vùng trao đổi dữ liệu trên trạm 2 với trạm 1
Thiết lập vùng nhớ trao đổi ngõ vào: Trên hộp thoại “Properties – DP – (R0/S2.1) Configuration -
row1” khi chọn “New”, ta chọn “Input” tại mục
“Address type” Mục “Address” chọn “40” (đây là địa chỉ tùy chọn của vùng nhớ trao dổi dữ liệu), mục “Length” chọn “4” (số dữ liệu trao đổi), mục
“Consistency” chọn “all”, mục “Unit” chọn “Byte” (đơn vị dữ liệu)
Thiết lập vùng nhớ trao đổi ngõ ra: thực hiện tương tự như thiết lập vùng nhớ trao đổi ngõ vào,
nhưng “Address type” chọn “Output” Hoàn tất
thiết lập vùng nhớ trao đổi ngõ ra, ngõ vào cho
trạm 2 như hình H.4
H 3 Cấu hình phần cứng cho các trạm PLC S7-300 CPU 315-2DP
Trang 4H 4 Thiết lập vùng trao đổi dữ liệu trên trạm2
Khi thiết lập hoàn tất ta cần biên dịch lại để cập
nhật cấu hình vừa thiết lập
Thực hiện tương tự để thiết lập cấu hình
PROFIBUS cho các trạm tớ khác
2.1.3 Thiết lập cấu hình PROFIBUS cho trạm
chủ
Để thiết lập cấu hình PROFIBUS cho trạm 1 làm
trạm chủ, ta thực hiện tương tự cho các trạm tớ
nhưng có một vài điểm khác biệt:
Mục “Operating mode” chọn “DP Master”
Trong mục “Subnet” chọn “PROFIBUS(1) 1.5
Mbps” kết nối mạng PROFIBUS đã thiết lập ở các
trạm tớ
Khi thiết lập vùng nhớ trao đổi dữ liệu ở trạm 1,
bên phải giao diện “Hardware Configuration”,
trong mục “Profile” chọn “Standard” Tại khung
cấu hình “Standard” chọn “PROFIBUS DP” >
“Configured Station” > chọn, kéo thả “CPU 31x”
vào đường dây “PROFIBUS(1), DP master
system” (hình H.5, H.6)
Mục “Coupling” sẽ có 4 vùng trao đổi dữ liệu đã
tạo từ các trạm tớ trước đó Chọn vùng trao đổi với
trạm 2 và chọn nút “Couple” như hình H.7
H 6 Chọn loại CPU để trao đổi dữ liệu
Chú ý: vùng nhớ trao đổi trên trạm chủ đối với
từng trạm tớ phải khác nhau Nếu giống nhau thì
sẽ tự động tạo một vùng nhớ khác, nếu không thì
dữ liệu của các trạm tớ sẽ bị chép chồng lên nhau
H 7 Vùng nhớ trao đổi dữ liệu của các trạm tớ
Chuyển qua mục “Configuration” để tạo vùng trao
đổi dữ liệu ngõ vào/ra của trạm 1 với ngõ ra/vào
với trạm 2 vừa kết nối (hình H.8)
H 8 Vùng nhớ trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ và tớ
Thực hiện tương tự thiết lập vùng trao đổi dữ liệu giữa trạm 1 với trạm 3, với trạm 5, và với trạm 6
Sau khi thiết lập xong thì trên cửa sổ “Hardware
Configuration” của trạm 1 sẽ có 4 trạm PLC tớ
như hình H.9
Trang 5H 9 Cấu hình phần cứng PROFIBUS được thiết lập
Với tiêu chuẩn quốc tế IEC 61158 dành cho
PROFIBUS DP vốn là tiêu chuẩn truyền dữ liệu
số, giải quyết được các vấn đề về kỹ thuật, trong
khi các mạng trường trong hệ thống được phân
biệt thông qua việc định nghĩa các kiểu giao thức
riêng [5]
2.2 Lập trình trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ với
các trạm tớ
Có hai cách để qui định truyền thông: lập trình
bằng lệnh truyền thông hoặc sử dụng hàm thư
viện Việc sử dụng cách nào cho phù hợp thì phụ
thuôc vào loại CPU, loại dữ liệu truyền, lượng dữ
liệu truyền, tốc độ truyền Đối với CPU 315 2-DP
thì có thể sử dụng lệnh truyền thông hoặc hàm thư
viện để lập trình Bài báo này tác giả sử dụng hàm
thư viện SFC14 để đọc dữ liệu và SFC15 để truyền
dữ liệu
Mỗi trạm tớ muốn trao đổi được dữ liệu cần có
một hàm SFC14 để đọc dữ liệu từ trạm 1 (trạm
chủ), và một hàm SFC15 để truyền dữ liệu lên
trạm 1 Trạm 1 quản lý 4 trạm tớ cần phải có 4 cặp
hàm SFC14 và SFC15 để trao đổi dữ liệu với 4
trạm tớ
Việc lập trình trao đổi dữ liệu được thực hiện trên
khối OB1 của từng trạm Để lấy hai hàm thư viện
SFC14 và SFC15, ta mở khối OB1 Từ giao diện
lập trình của khối OB1, chọn “Library” >
“Standard Library” > “System Funtion Block” >
chọn hàm SFC14 (hàm đọc dữ liệu) và SFC15
(hàm truyền dữ liệu) vào vùng lập trình như hình
H.10
H 10 Hàm SFC 14 và SFC 15
Hàm SFC14 có các tham số sau:
LADDR: Địa chỉ vùng nhớ trao đổi
RET_VAL : Trả về chuẩn đoán các lỗi
RECORD : Dữ liệu cần đọc chứa tại địa chỉ vùng nhớ trao đổi
Hàm SFC15 có các tham số sau:
LADDR: Địa chỉ vùng nhớ trao đổi
RECORD : Dữ liệu cần truyền chứa tại địa chỉ vùng nhớ trao đổi
RET_VAL : Trả về chuẩn đoán các lỗi
Việc đọc và gửi dữ liệu phải phù hợp với vùng trao đổi dữ liệu giữa các trạm đã được khai báo khi cấu hình phần cứng
Lập trình trên trạm 1 để đọc và gửi dữ liệu đến
trạm 2 được mô tả như trong hình H.11
Đồng thời, việc lập trình trên trạm 2 để đọc và gửi
dữ liệu đến trạm 1 như hình H.12
Tương tự như vậy, thực hiện cho các cặp trao đổi
dữ liệu giữa trạm 1 với các trạm tớ còn lại: trạm 3, trạm 5 và trạm 6
Sau khi hoàn tất lập trình, tiến hành download các cài đặt cấu hình truyền thông xuống từng trạm PLC thông qua kết nối MPI giữa máy tính với PLC chủ ở trạm 1
Trang 6H 11 Lập trình trao đổi dữ liệu trên trạm chủ với trạm tớ H 12 Lập trình trao đổi dữ liệu trên trạm tớ với trạm chủ
H 13 Giao diện giám sát toàn bộ mô hình hệ thống Cơ điện tử
Trang 73 Kết luận
Qua bài báo này, chúng tôi đã trình bày cách thiết
lập mạng truyền thông PROFIBUS DP ứng dụng
cho các trạm PLC S7-300 (CPU 315-2DP) trong
hệ MPS của hãng FESTO (Đức), đồng thời thực
hiện việc giám sát và điều khiển toàn hệ thống trên
máy tính bằng phần mềm WinCC như hình H.13
Tại giao diện chính trên máy tính, người điều
khiển có thể quan sát trạng thái dữ liệu hiện tại của
riêng từng trạm
Kết quả là các trạm PLC trong hệ thống trao đổi
được dữ liệu với nhau, cũng như trao đổi dữ liệu
giữa PLC chủ với máy tính Với cấu hình đã thiết
lập thì dữ liệu được thông suốt ở các cấp truyền
thông, giúp hệ thống
được quản lý dễ dàng, chuyên nghiệp phù hợp cho
ứng dụng rộng rãi trong mạng truyền thông công
nghiệp ở các nhà máy sản xuất, đặc biệt có sử
dụng dây chuyền tự động hoặc cả hệ thống sản
xuất linh hoạt dùng PLC
Tài liệu tham khảo
[1] Eduardo Manuel de Médicis Tovar:
Supporting Real-Time Communications with
Standard Factory-Floor Networks
Universidade do Porto, 1999
[2] Josef Weigmann, Gerhard Kilian:
Decentralization with PROFIBUS DP/DPV1
Publicis Coporate Publishing, Erlangen, 2003
[3] Hans Berger: Automating with simatic
Publicis Coporate Publishing, Erlangen, 2003
[4] Nguyễn Kim Ánh và Nguyễn Mạnh Hà: Giáo
trình – Mạng truyền thông công nghiệp Đại
học Bách Khoa Đà Nẵng, 2007
[5] N.Dreilich: Product manual – Profibus DP
07-05-04-02-E-V0801 Eurotherm Drives
Limited, 2001
Nguyễn Văn Mướt, sinh ngày
05/01/1975 tại tỉnh Đồng Tháp Anh
tốt nghiệp đại học ngành Điện tử tại
trường Đại học Cần Thơ năm 1998;
nhận bằng thạc sĩ ngành Tự Động
Hóa tại trường Đại học Giao Thông Vận Tải Tp
Hồ Chí Minh năm 2009
Anh đã tham gia trợ giảng tại Khoa Công Nghệ Thông Tin, trường Đại học Cần Thơ từ năm 1998 đến 2007 Từ năm 2008 đến nay anh là giảng viên thuộc Bộ môn Tự Động Hóa, khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ Thạc sỹ Nguyễn Văn Mướt hiện
là trưởng phòng thí nghiệm Cơ Điện Tử, phó trưởng Bộ môn Tự Động Hóa, khoa Công Nghệ, trường Đại học Cần Thơ
Lý Thanh Phương nhận bằng Kỹ sư Tự động hóa
tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh năm 2006, bằng Thạc sỹ Tự Động Hóa tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Tp
Hồ Chí Minh năm 2008
Thạc sỹ Lý Thanh Phương tham gia giảng dạy tại Trường Đại Học Cần Thơ từ năm
2009 đến nay Hiện anh đang là Giảng Viên - Trưởng Phòng Thí Nghiệm PLC & Mạng Công Nghiệp, phó trưởng Bộ môn Tự Động Hóa, Khoa Công Nghệ, trường Đại học Cần Thơ
Nguyễn Văn Chương sinh năm 1991, tại Tiền
Giang Năm 2006 – 2009, học tại trường trung học phổ thông Phạm Thành Trung – Tiền Giang Năm
2009 đến nay, Chương học tại trường Đại học Cần Thơ và hiện đang là sinh viên năm cuối chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Khoa Công Nghệ, trường Đại học Cần Thơ
Phó Hoàng Linh sinh năm 1991 tại
Vĩnh Long Năm 2006 – 2009 học tại trường trung học phổ thông Lưu Văn Liệt - Vĩnh Long Năm 2009 đến nay, Linh học tại trường Đại học Cần Thơ chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện
tử, và hiện là sinh viên năm cuối